工程地质课件：第五章地下水

1、土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 第五章 地下水5 5.1 地下水概述 5.2 地下水的类型 5.3 地下水的物理与化学性质 5.4 地下水运动的基本规律 5.5 地下水对土木工程的影响土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 5.1 地下水概述 地下水是赋存于地表以下岩层空隙中的各种不同形式水的统称。 5.1.1 岩石中的空隙 根据岩土空隙的成因不同，可分为孔隙孔隙、裂隙裂隙和溶隙溶隙三大类(图5-1).图5-1 岩土中的空隙a) 分选良好，排列疏松的砂 b) 分选良好，排列紧密的砂 c) 分选不良，含泥砂的砾石 d) 部分胶结的砂

2、岩 e) 具有裂隙的岩石 f) 具有溶隙的可溶岩土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 1. 1. 孔隙孔隙 孔隙孔隙：岩土颗粒之间的空隙。 孔隙度孔隙度：孔隙的发育程度，又称孔隙率。式中n 孔隙度vn 岩土中孔隙的体积V 包括孔隙在内的岩土总体积%100=vvnn 孔隙度的大小主要取决于岩土的密实程度取决于岩土的密实程度及分选性分选性。此外，颗粒形状和胶结程度对孔隙度也有影响。土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 2. 2. 裂隙裂隙 裂隙裂隙：岩石受地壳运动及其他内外地质应力作用影响产生的空隙。 裂隙的发育程度除与岩石的受力条件有关

3、，还与岩性有关。式中kT 裂隙率vT 岩石中裂隙的体积V 包括裂隙在内的岩石总 体积%100=vvkTT成岩裂隙成岩裂隙分化裂隙分化裂隙构造裂隙构造裂隙裂隙按成因分类裂隙按成因分类 裂隙的发育程度用裂隙率裂隙率表示：土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 3. 3. 溶隙溶隙 溶隙溶隙：可溶性岩石(白云岩、石灰岩等)经过地下水流长期溶蚀作用而形成的空隙。 溶隙的发育程度用溶隙率溶隙率表示：式中kK 溶隙率vK 可溶岩中溶隙的体积V 可溶岩体积%100=vvkKK土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 5.1.2 岩土的水理性质岩土与水接触

4、时，控制水分储存和运移的性质。岩岩土土水水理理性性质质容水性容水性持水性持水性给水性给水性透水性透水性常压下，岩石空隙能够容纳一定水量的性能。饱水岩石在重力作用下排水后，依靠分子力和毛细管力仍然保持一定水分的能力。饱水岩石在重力作用下能够自由排出水的性能。岩土允许水透过的性能。土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 5.1.3 含水层与隔水层形成条件形成条件有较大且连通的穿隙与隔水层组合形成储水空间有充分的补给来源含水层含水层能够透过并能给出相当数量水的岩土层。隔水层隔水层不能透过或给出水，或者透过或给出的水数量微不足道的岩土层。土 木 工 程 地 质 TUMU G

5、ONG CHENG DIZHI 5.2 地下水的类型含水层空隙性质孔隙水(松散沉积物孔隙中的水)裂隙水(坚硬基岩裂隙中的水)岩溶水(可溶岩溶隙中的水)上层滞水包气带中局部隔水层上的重力水，主要是季节性存在裸露于地表的裂隙岩层浅部季节性存在的重力水裸露的岩溶化岩层上部岩溶通道中季节性存在的重力水潜水各类松散沉积物浅部的水裸露于地表的各类裂隙岩层中的水裸露于地表的岩溶化岩层中的水承压水山间盆地及平原松散沉积物深部的水组成构造盆地、向斜构造或单斜断块的被掩覆的各类裂隙岩层中的水组成构造盆地、向斜构造或单斜断块的被掩覆的岩溶化岩化岩层中的水埋藏条件表5-1 地下水分类表 5.2.1 地下水埋藏类型包气

6、带包气带饱水带饱水带地面以下岩土层地面以下岩土层地下水面以上地下水面以下土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 1. 1. 上层滞水上层滞水 指在包气带内局部隔水层上积聚的具有自由水面的重力水称为上层滞水，也可称包气带滞水(图5-2)。图5-2 包气带水和潜水示意图A 包气带水 B 潜水 h 潜水面的埋藏深度 H 潜水厚度 上层滞水的动态很不稳定。2. 2. 潜水潜水 潜水是埋藏于地面以下第一个稳定隔水层之上具有自由水面的重力水 。潜水的自由水面为潜水面；潜水面上任一点的高程为该点的潜水位；自地面某点至潜水面的距离为该点潜水的埋藏深度；从潜水面至隔水底板的距离为潜水

7、含水层厚度(图5-2)。土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 大气降水大气降水地表水地表水潜水的潜水的补给来源补给来源凝结水凝结水深层地下水深层地下水最主要的补给来源径流排泄径流排泄蒸发排泄蒸发排泄潜水的潜水的排泄排泄含水层之含水层之间的排泄间的排泄以泉、渗流等形式泄出地表或流入地表水通过包气带或蒸发进入大气通过导水断层、天窗越流排泄潜水等位线图潜水等位线图：潜水面上高程相等各点的连线(图5-3a)。土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 图5-3 潜水等位线图及水文地质剖面图1砂土 2 粘土 3 地形等高线 4 潜水等位线 5河流及流

8、向 6潜水流向 7 潜水面 8下降泉 9钻孔(剖面图) 10钻孔(平面图) 11 钻孔编号 12剖面线土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 确定潜水流向确定潜水流向确定潜水的水力坡确定潜水的水力坡度度潜水等潜水等位线的位线的用途用途确定潜水与地表水之间的关系确定潜水与地表水之间的关系确定潜水的埋藏深度确定潜水的埋藏深度3. 3. 承压水承压水充满于两个稳定隔水层之间的含水层中的重力水。(图5-4a、b)。没有自由水面，并承受一定的静水压力。受外界的影响相对要小，动态变化相对稳定。特征特征不易受地面污染，一般可做良好的供水水源。水质类型多样，变化大。土 木 工 程

9、地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 图5-4 承压含水层1含水层 2 隔水层 3 自流井 4 非自流井 5干井 6潜水位 7 承压水位 8地下水流向 9上升泉 A补给区 B 承压区 C排泄区 D自流区 h 承压水位埋深 M承压含水层厚度 H1 初见水位 H2 承压水位 H承压水头 OO基准面土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 等水压线图：等水压线图：承压水面上高程相等点的连线图(图5-5)。图5-5 等水压线图及水文地质剖面图a) 等水压线图 b)水文地质剖面图1地形等高线图 2 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

10、 井 8含水层 9隔水层 10干井 11 非自流井 12自流井土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 确定承压水流向确定承压水流向确定初见水位确定初见水位承压水承压水等水压等水压线图的线图的用途用途确定承压水埋深确定承压水埋深确定承压水头大小及水力坡度确定承压水头大小及水力坡度 5.2.2 不同岩土介质中的地下水1. 1. 孔隙水孔隙水埋藏于松散岩土孔隙中的重力水。山前倾斜平原孔隙水山前倾斜平原孔隙水河谷地区孔隙水河谷地区孔隙水按松散沉积按松散沉积物的成因类物的成因类型及地貌条型及地貌条件差异划分件差异划分冲积平原孔隙水冲积平原孔隙水山间盆地孔隙水山间盆地孔隙水黄土

11、地区孔隙水黄土地区孔隙水沙漠地区孔隙水沙漠地区孔隙水土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 典型的冲洪积扇，自出山口至平原沿着纵向可分为三个水文地质带。深埋带深埋带、溢出带溢出带和垂直交替带垂直交替带(图5-6)。图5-6 洪积物中地下水分布示意图深埋带 溢出带 垂直交替带 1 砾卵石 2砂 3粉质粘土及粉土 4 基岩 5水位土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 2. 2. 裂隙水裂隙水埋藏于基岩裂隙中的地力水。埋藏分布极不均匀透水性各个方向呈各向异性特征特征动力性质比较复杂风化裂隙水风化裂隙水成岩裂隙水成岩裂隙水分类分类构造裂构造裂隙

12、水隙水主要接受大气降水的补给，常以泉的形式排泄于河流中。以分布不均匀、水力联系不好分布不均匀、水力联系不好为其特征。在各种地下工程中，构造裂隙水的涌水量、水位、水温与水质往往变化很大。这是由于构造裂隙的分布密度、方向性、张开性、延伸性极不均一所造成的。 土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 3. 3. 岩溶水岩溶水赋存和运移于可溶岩的地下水。岩溶上层滞水岩溶上层滞水岩溶潜水岩溶潜水岩溶水岩溶水分类分类岩溶承压水岩溶承压水 岩溶水的分布主要受岩溶作用规律的控制受岩溶作用规律的控制。 5.2.3 泉 地下水在地表的天然露头叫泉天然露头叫泉，人工露头称为井人工露头称为井

13、。泉是地下水的一种重要的排泄方式。是可以直接用作工业和生活供水的重要水源。土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 上升泉上升泉根据补给源及水流特征分下降泉下降泉侵蚀泉侵蚀泉接触泉接触泉断层泉断层泉冷泉冷泉温泉温泉根据泉水出露原因分根据泉水温度分为承压水补给，在出露口附近是自下而上运动。为潜水及上层滞水补给，在出露口附近是自上而下运动。侵蚀下降泉(图5-7a)侵蚀上升泉(图5-7b)泉水温度大致相当于或略低于当地年平均气温。泉水温度高于当地年平均气温。多由深层自流水补给。与岩浆活动和地下深处地热的影响有关。透水性不同的岩层接触，地下水流受阻沿接触面出露地表(图5-7c

14、)。地下水沿断层面上升，在地面高程低于承压水位处出露成泉(图5-7d)。泉泉水水分分类类土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 图5-7 泉的形成土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 5.3 地下水的物理性质与化学性质 5.3.1 地下水的物理性质温度温度颜色颜色透明度透明度地地下下水水物物理理性性质质气味气味味道味道导电性导电性变化范围较大一般为无色透明、微浑、浑浊、极浑浊。多半是透明。一般是无味主要取决于地下水的化学成分当含一些电解质时，导电性增强，也受温度影响。土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 5

15、.3.2 地下水的化学性质1. 1. 地下水常见的化学成分地下水常见的化学成分主要离子主要离子地地下下水水化化学学成成分分阳离子：阳离子：H+、Na+ 、K+ 、NH5+ 、 Mg2+ 、Ca2+ 、Fe2+等。阴离子：阴离子：OH- 、Cl- 、SO42- 、NO2- 、NO3- 、HCO3- 、CO32- 、SiO32- 、PO52-等。主要气体主要气体O2 、 N2 、 CO2 、 H2S。胶体成分胶体成分以碳、氢、氧为主的有机质，经常以胶体方式存在于地下水中。很难以离子状态溶于水的化合物也往往以胶体状态存在地下水中，其中分布最广的是Fe(OH)2 、Al(OH)3及SO2。土 木 工

16、程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 2. 2. 地下水的化学性质地下水的化学性质(1) (1) 酸碱度酸碱度氢离子浓度氢离子浓度是指水的酸碱度，用pH值表示。水的类别表5-2 地下水按pH值分类强酸性水弱酸性水中性水弱碱性水强碱性水pH值10.0(2) (2) 矿化度矿化度地下水中各种离子、分子与化合物的总量称矿化度。分类表5-3 地下水按矿化度分类淡水弱碱水碱水盐水卤水矿化度/(g/L)50土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI (3) (3) 硬度硬度水中钙、镁离子的含量称为水的硬度。总硬度总硬度暂时硬度暂时硬度永久硬度永久硬度水加热沸腾后所

17、损失的Ca2+、Mg2+含量。水加热沸腾后仍然保持在水中的Ca2+、Mg2+含量。分类表5-4 地下水按总硬度分类极软水软水微硬水硬水极硬水总硬度9.0mmol/L德国度25.2土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 5.4 地下水运动的基本规律层流：层流：地下水运动时，水质点有秩序地呈相互平 行而互不干扰的运动。湍流：湍流：水质点相互干扰而呈无秩序的运动，称湍 流(也称紊流)。图5-8 渗透实验装置kAJLHkALHHkAQ=12或kJAQv=(5-4) 5.4.1 线性渗透定律 Darcy定律土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 式

18、中Q 渗流量(m3/d或cm3/s);A 过水断面面积(m2或cm2);H 水头损失(m或cm);L 渗流距离(m或cm);k 渗透系数(m/d或cm/s);J 水力坡度；v 渗流速度(m/d或cm/s) 式(5-4)表明，渗流速度与水力坡度的一次方成正比，故Darcy定律又称为线性渗透定律。 5.4.2 非线性渗透定律 当地下水在宽大的空隙中以相当快的速度运动时，呈现湍流。此时，渗透服从A.Chezy定律。即渗透速度与水力坡度的1/2次方成正比。Jkv =(5-6)土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 5.5 地下水对土木工程的影响 5.5.1 地下水位下降引起

19、的地基沉降 在松散沉积岩岐中进行深基础施工时，往往需要人工降低地下水位。若降水不当，会使周围地基土层产生固结沉降，轻都造成邻近建筑物或地下水管线的不均匀沉降；重者使建筑物基础下的土颗粒流失，甚至掏空，导致建筑开裂等不良事故。 5.5.2 动力压力产生的流砂现象 地下水自下向上渗流，当向上的渗流力克服了土体向下的重力，则土体发生浮起而处于悬浮状态失去稳定，土粒随之流动。这种现象称为流砂流砂。 此现象多发生在饱和粉细砂以及粉土层中。一般是突发性，对工程危害很大。土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 人工降低地下水位人工降低地下水位打板桩打板桩水下挖掘水下挖掘其它如化学

20、加固法、冻结法、爆炸法、其它如化学加固法、冻结法、爆炸法、加重法等。加重法等。处理流处理流砂方法砂方法 5.5.3 管涌现象和潜蚀作用 在渗透水流作用下，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，渗透速度不断增加，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。管涌破坏一般有个时间发展过程，是一种渐进性质的破坏。通过坝基的管涌通过坝基的管涌土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 在自然界中，在一定条件下同样会发生上述渗透破坏作用，为了与人类工程活动所引起的管涌相区别，通常称之为潜蚀潜蚀。潜

21、蚀作用有机械机械的和化学化学的两种。这两种作用往往是同时存在的。 土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，一般不均匀系数10的土才会发生管涌管涌管涌发生发生条件条件在渗流逸出部位铺设反滤层是防止管涌破坏的有效措施。降低水力梯度，如打板桩。防治防治管涌管涌渗流力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动几何条件：几何条件：水力条件：水力条件：几何条件：几何条件：改变水力条件：改变水力条件：改变几何条件：改变几何条件：土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 5.5.4 承压水对基坑产生的基坑突涌 基坑突涌基坑突涌：当基坑下伏有承压含水层时，开挖基坑所留底板经受不住承压水头

22、压力作用而被承压水顶裂或冲毁的现象。 隔水层安全厚度：HMWgg(5-7)式中H 承压水头(m);g W 水的重度(kN/m3);g 土的重度(kN或cm3);土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 图5-9 基坑底粘土层最小厚度图5-10 抽水降低承压水头 防止基坑突涌，可对承压水层进行预先排水，以降低承压水头(图5-10)。降低后的基坑中心承压水位Hw必须满足下式：ggMwHw则ggMwHw(5-8)土 木 工 程 地 质 TUMU GONG CHENG DIZHI 5.5.5 地下水对钢筋混凝土的腐蚀1. 1. 结晶类腐蚀结晶类腐蚀地下水中SO42-混凝土中Ca(OH)2二水石膏结晶体CaSO42H2O水化铝酸钙CaOAl2O36H2O水化硫铝酸钙(水泥杆菌)结合了许多结晶水，体积约比原来增大221.86%,在混凝土中产生很大的应力，破坏混凝土的结构。2. 2. 分解类腐蚀分解类腐蚀 地下水