水工地质4(地下水及其对工程的影响)

1、第四章第四章地下水地下水及其对工程的影响及其对工程的影响一、地下水的类型与特征一、地下水的类型与特征二、地下水的埋深、水位与动态二、地下水的埋深、水位与动态三、地下水的作用及其对工程的影响三、地下水的作用及其对工程的影响本章内容本章内容Hydrologic cycle地下水地下水: : 是指埋藏于地下岩土体空隙中的水是指埋藏于地下岩土体空隙中的水份份。 地下水的存在及运动，都会对地下岩土体地下水的存在及运动，都会对地下岩土体的成份、结构以及相关的地质地貌形态产生改的成份、结构以及相关的地质地貌形态产生改造，因而地下水也是一种动力因素，当然，它造，因而地下水也是一种动力因素，当然，它同时也是一种

2、极端重要的资源。同时也是一种极端重要的资源。一、地下水的类型与特征1 1自然界的水循环自然界的水循环地球上除了存在于各种矿物中的化合水、结合水，地球上除了存在于各种矿物中的化合水、结合水，以及为深部岩石所封存的水分以外，海洋、河流、以及为深部岩石所封存的水分以外，海洋、河流、湖泊、地下水、大气水分和冰川，共同构成地球的湖泊、地下水、大气水分和冰川，共同构成地球的水圈。水圈。 而水是地球表面分布最广和最重要的的物质，并而水是地球表面分布最广和最重要的的物质，并作为最活跃的因素始终参与地球地理环境的形成和作为最活跃的因素始终参与地球地理环境的形成和发展过程，在所有自然地理过程中都不可或缺。发展过程

3、，在所有自然地理过程中都不可或缺。地地球球的的水水量量估估计计全球水循环过程和数量全球水循环过程和数量(2)水循环的类型 全球水量平衡方程：全球水量平衡方程： PC+PO=EC+EO 式中，式中， PC为大陆降水量为大陆降水量 ； PO为海洋降水量；为海洋降水量； EC为大陆蒸发量；为大陆蒸发量；EO 为海洋蒸发量。为海洋蒸发量。年平均大洋水平衡方程：年平均大洋水平衡方程： P+R-E=0 或或 P+R=E 即大洋年降水量加入海径流量等于大洋年蒸即大洋年降水量加入海径流量等于大洋年蒸发量。发量。全全球球年年水水量量平平衡衡(GlobalWaterBalance)2 2地下水的来源地下水的来源：

4、一般从四个方面得到补充，包括：一般从四个方面得到补充，包括：入渗水入渗水：即大气降水和地表水渗入地下进入地下水：即大气降水和地表水渗入地下进入地下水系统中；系统中；冷凝水冷凝水：大气中的水汽因温：大气中的水汽因温度变化而过饱和冷凝为液态下度变化而过饱和冷凝为液态下渗渗如干旱沙漠中的地下水如干旱沙漠中的地下水；初生水初生水：也叫原生水，指自然因素下，：也叫原生水，指自然因素下，H H2 2、O O2 2发生发生化合而形成的化合而形成的H H2 2O O。在火山区，变质地区常见。在火山区，变质地区常见。埋藏水埋藏水：指过去因地质原因被封闭于地下的：指过去因地质原因被封闭于地下的“水水包包”, ,现

5、被破坏后释放出来的水。现被破坏后释放出来的水。此外还有人工补给来源以及不同类型地下水之间相互此外还有人工补给来源以及不同类型地下水之间相互补给来源等补给来源等包气带水包气带水：地表浅层不饱和水份带中的水：地表浅层不饱和水份带中的水潜水潜水：第一个广泛分布稳定隔水层上饱和带中的：第一个广泛分布稳定隔水层上饱和带中的 重力水。重力水。承压水承压水：两个隔水层间含水层中的液态水。：两个隔水层间含水层中的液态水。 3 3地下水的类型地下水的类型（1 1）依据埋藏特点的不同，分为：）依据埋藏特点的不同，分为：Air-containingzone包气带包气带Impermeablelayer隔水层隔水层St

6、agnantwater上层滞水上层滞水Unconfinedwater潜水潜水Watertable潜水面潜水面Confinedwater层间水层间水 孔隙水孔隙水（松散堆积层如，河流冲积物中）（松散堆积层如，河流冲积物中） 裂隙水裂隙水（基岩、黄土裂隙）（基岩、黄土裂隙） 岩溶水岩溶水（黄土、石灰岩洞穴）（黄土、石灰岩洞穴） （2 2）依据含水层（含水空隙）的性质分）依据含水层（含水空隙）的性质分 水是自然界最常见的溶剂，地下水又与地下岩水是自然界最常见的溶剂，地下水又与地下岩土体有更直接的接触关系，同时地下水还承受一定土体有更直接的接触关系，同时地下水还承受一定的压力，这都决定了地下水有更强的

7、溶解能力。地的压力，这都决定了地下水有更强的溶解能力。地下水中主要含有三类物质。下水中主要含有三类物质。 4 4地下水的成份地下水的成份（1 1）气体）气体O O2 2 N N2 2 Cl Cl2 2 H H2 2S HS H2 2 NH NH3 3 CH CH4 4 CO CO 主要气体主要气体 次要气体次要气体 上述气体溶于水中，使地下水酸度增大，促使地上述气体溶于水中，使地下水酸度增大，促使地下水与岩石（尤其可溶岩）发生反应造成溶蚀，如果下水与岩石（尤其可溶岩）发生反应造成溶蚀，如果与建筑基础材料接触，也会对建筑基础形成腐蚀。与建筑基础材料接触，也会对建筑基础形成腐蚀。（2 2）可溶盐离

8、子）可溶盐离子阳离子：阳离子： 主要主要 K K+ + Na Na+ + Ca Ca2+2+ Mg Mg2+2+ 次要次要 FeFe3+3+ Fe Fe2+2+ Mn Mn2+2+ Si Si4+4+ H H+ + NH NH+3+3阴离子：阴离子： 主要主要 ClCl- - SO SO2 2-4-4 HCO HCO-3-3 次要次要 OHOH- - NO NO-3-3 CO CO2 2-3-3 NO NO-2-2 （3 3）胶体物质）胶体物质主要有主要有Fe(OH)Fe(OH)2 2 Mg(OH) Mg(OH)2 2 SiO SiO2 2( (胶胶) ) Al(OH) Al(OH)3 3等以

9、及一些有机质（如腐殖酸）。等以及一些有机质（如腐殖酸）。 此外，自然还应携带一些极细微碎屑物质。此外，自然还应携带一些极细微碎屑物质。 5 5地下水的化学物理特征地下水的化学物理特征（1 1）化学性质）化学性质u地下水的酸碱性：地下水的酸碱性：取决于水中氢离子浓度，常用取决于水中氢离子浓度，常用pH值表示。值表示。 强酸性（强酸性（pH9) 根据地下水根据地下水pH值的大小，将水分成以下几级：值的大小，将水分成以下几级：u地下水的矿化度地下水的矿化度地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量称为矿化度地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量称为矿化度（mineralizeddegree)，以每升

10、水中所含的克数（，以每升水中所含的克数（g/L)表示。表示。 地下水的矿化度分类表地下水的矿化度分类表类类别别总矿化度（总矿化度（g/L)类别类别总矿化度（总矿化度（g/L)淡淡水水小于小于1弱矿化水弱矿化水13中矿化水中矿化水310高矿化水高矿化水1030咸水咸水大于大于30u地下水的硬度地下水的硬度水的硬度（水的硬度（hardnessofwater)取决于水中取决于水中Ca2+、Mg2的含的含量。硬度分为：总硬度、暂时硬度、永久硬度等。量。硬度分为：总硬度、暂时硬度、永久硬度等。总硬度暂时硬度永久硬度总硬度暂时硬度永久硬度我国目前采用德国度（我国目前采用德国度（German degree)

11、表示，表示，1德国度相当于德国度相当于1L水中含有水中含有10mg的氧化钙（的氧化钙（CaO） 极软水（小于极软水（小于4.2德国度）德国度）软水（软水（4.28.4德国度）德国度）微硬水（微硬水（8.416.8德国度）德国度）硬水（硬水（16.825.2德国度）德国度）极硬水（大于极硬水（大于25.2德国度）。德国度）。（2 2）物理性质）物理性质u颜色：地下水一般是无色的，但有时由于某种离子含量较多，颜色：地下水一般是无色的，但有时由于某种离子含量较多，或者富集悬浮物和胶体物质，则可显示出各种各样的颜色或者富集悬浮物和胶体物质，则可显示出各种各样的颜色;u透明度透明度:取决于其中的固体与胶

12、体悬浮物的含量。取决于其中的固体与胶体悬浮物的含量。按透明度将地下水分按透明度将地下水分4级：级：透明的透明的微浊的微浊的浑浊的浑浊的极浑的极浑的u嗅味：地下水通常无气味，但当其中含有某些离子或某种气嗅味：地下水通常无气味，但当其中含有某些离子或某种气体时，出现特殊的气味。体时，出现特殊的气味。u味道：取决于地下水的化学成分，纯水是无味的，但由于地味道：取决于地下水的化学成分，纯水是无味的，但由于地下水中多少溶解了一些盐类或气体，因此，具有一定味感。下水中多少溶解了一些盐类或气体，因此，具有一定味感。 二、地下水的埋深、水位 与动态 常用的地下水分类是按埋藏特征分为包气常用的地下水分类是按埋藏

13、特征分为包气带水、潜水和承压水三类，一般以潜水作为地带水、潜水和承压水三类，一般以潜水作为地下水的最上层类型，因此，地下水中的许多用下水的最上层类型，因此，地下水中的许多用语多与潜水特征有关。语多与潜水特征有关。 指地下水面距离地面的高度在某一地区，将相指地下水面距离地面的高度在某一地区，将相同埋深的各点联成圈闭曲线，则构成地下水等埋深同埋深的各点联成圈闭曲线，则构成地下水等埋深线图，可直观判别地下水的埋藏深浅。线图，可直观判别地下水的埋藏深浅。 1 1地下水的埋深地下水的埋深 指以海拔高程表示的地下水（潜水）水面的高度。指以海拔高程表示的地下水（潜水）水面的高度。将相同高程的各水面点联成圈闭

14、曲线，则构成地下水将相同高程的各水面点联成圈闭曲线，则构成地下水等水位线图，它不能反映地下水的埋深大小（需与地等水位线图，它不能反映地下水的埋深大小（需与地形图配合使用才行），但由可它判断地下水的流向和形图配合使用才行），但由可它判断地下水的流向和流速快慢。流速快慢。 2 2地下水位地下水位11地形等高线；地形等高线；22等水位线；等水位线；33等埋深线；等埋深线；44潜水流向；潜水流向；55潜水埋深为潜水埋深为0 0区；区；66埋深埋深0-2m0-2m区；区；77埋深埋深2-4m2-4m区；区；88埋深大于埋深大于4m4m区区 承压水位标高相同承压水位标高相同点的连线，便是承压点的连线，便是

15、承压水等水压线。水等水压线。等水压线图，可反等水压线图，可反映承压水（位）面的映承压水（位）面的起伏情况。起伏情况。潜水面实际存在，潜水面实际存在，承压水面是一个势面，承压水面是一个势面，可与地形极不吻合，可与地形极不吻合，甚至高出地面。甚至高出地面。承压水等水压线图承压水等水压线图通常要附以含水层顶通常要附以含水层顶板等高线。板等高线。 地下水可沿岩石中的连通孔隙或土颗粒间隙作缓慢地下水可沿岩石中的连通孔隙或土颗粒间隙作缓慢流动，称为流动，称为渗流渗流。在工程地质中，一般将渗流作为层。在工程地质中，一般将渗流作为层流对待，因此其流动符合达西定律；即：流对待，因此其流动符合达西定律；即：Q=k

16、.A.iQ=k.A.i Q Q渗透流量渗透流量m m3 3/d/d； kk渗透系数渗透系数m/dm/d A A过水断面积；过水断面积； ii水力坡度。水力坡度。 3 3地下水的运动地下水的运动（1 1）达西定律）达西定律 其中渗透系数其中渗透系数k k值是衡量所有岩土体渗透性大小值是衡量所有岩土体渗透性大小的主要指标，一般规定：的主要指标，一般规定：k0.001m/d k0.001m/d 称透水层称透水层k0.001m/d k0.001m/d 称隔水层称隔水层各类岩土的渗透系数值可参考相关资料。各类岩土的渗透系数值可参考相关资料。 地下水的运动尽管缓慢，但对地下岩土体仍可地下水的运动尽管缓慢，

17、但对地下岩土体仍可产生较大程度的冲刷，如黄土中经常出现的地下土产生较大程度的冲刷，如黄土中经常出现的地下土洞就是地下水冲刷作用的结果。洞就是地下水冲刷作用的结果。 (2)(2)地下径流地下径流概念：地下水在岩土空隙中的流动过程。概念：地下水在岩土空隙中的流动过程。地下径流量的表示方法地下径流量的表示方法-径流模数（径流率）径流模数（径流率）单位（单位（1km2）含水层面积上的地下水流量（）含水层面积上的地下水流量（m3/Skm2）AQM86400365年平均地下径流率公式：年平均地下径流率公式：（3 3）地下水流向井的稳定运动）地下水流向井的稳定运动 u地下水向潜水完整井运动地下水向潜水完整井

18、运动裘布依公式：裘布依公式：wwwrRssHKQlg)2(366. 1wwK渗透系数，渗透系数，md；H潜水含水层天然水位，潜水含水层天然水位，m；h井内动水位至含水层底板的距离，井内动水位至含水层底板的距离，m； sw=H-hR影响半径，影响半径，m；rw井半径或管井过滤器半径井半径或管井过滤器半径，m。u地下水向承压水完整井运动地下水向承压水完整井运动wwrRMsKQlg73. 2M承压含水层厚度，承压含水层厚度，m；ws承压井抽水时井内的承压井抽水时井内的水位下降值，水位下降值，m。裘布依公式：裘布依公式：4 4地下水的动态地下水的动态*在各种有关因素的影响下，地下水的水位、水量、在各种

19、有关因素的影响下，地下水的水位、水量、水质随时间作有规律变化的过程，称为地下水动态。水质随时间作有规律变化的过程，称为地下水动态。 u自然因素：自然因素：气象、水文、地质、土壤和生物等气象、水文、地质、土壤和生物等潜水动态，气象和水文因素的作用是主要的。潜水动态，气象和水文因素的作用是主要的。承压水动态，气象和水文因素的影响较小，而地质因素的影响承压水动态，气象和水文因素的影响较小，而地质因素的影响相对增强。相对增强。（1）地下水动态的影响因素）地下水动态的影响因素u人为因素：人为因素：采水、排水、修建水库，利用地表水灌溉，跨采水、排水、修建水库，利用地表水灌溉，跨流域调水等流域调水等（2）地

20、下水天然动态类型）地下水天然动态类型渗入渗入蒸发型动态：蒸发型动态：主要出现于干旱、半干旱的平原与山间主要出现于干旱、半干旱的平原与山间盆地中；盆地中；渗入渗入径流型动态：径流型动态：补给来自降水或地表水的入渗，排泄则补给来自降水或地表水的入渗，排泄则主要为水平的径流流泄。主要为水平的径流流泄。 渗入渗入蒸发、径流型动态：蒸发、径流型动态：主要分布于湿润气候下的平原。主要分布于湿润气候下的平原。 三、地下水的作用及其对工程的影响* *潜蚀：地下水对地下岩土体的潜蚀：地下水对地下岩土体的化学溶蚀化学溶蚀与与机械冲刷机械冲刷作用，称为潜蚀。作用，称为潜蚀。 黄土塌陷黄土塌陷地下岩溶地下岩溶指地下水

21、通过运动对岩土体造成的机械冲刷与携带指地下水通过运动对岩土体造成的机械冲刷与携带作用。在建筑地基岩石中，其作用形式主要有：作用。在建筑地基岩石中，其作用形式主要有：1 1地下水的冲蚀作用地下水的冲蚀作用（1 1）流土与管涌）流土与管涌流土流土：指成份比较均一（级配良好）的固体颗粒随地：指成份比较均一（级配良好）的固体颗粒随地下水运动而从岩土体中流失的过程。下水运动而从岩土体中流失的过程。管涌管涌：指细颗粒在水头作用下从大颗粒支架起的空：指细颗粒在水头作用下从大颗粒支架起的空隙中运动流失进而造成岩土体结构瓦解的作用（隙中运动流失进而造成岩土体结构瓦解的作用（ 级级配不良，如：在河床相沉积层中）。

22、配不良，如：在河床相沉积层中）。 （2 2）黄土岩溶）黄土岩溶指地下水的掏挖引起黄土上层塌陷形成黄土漏斗（指地下水的掏挖引起黄土上层塌陷形成黄土漏斗（碟）、窝穴等类似可溶岩区岩溶的现象。碟）、窝穴等类似可溶岩区岩溶的现象。2 2地下水对建筑基础的腐蚀地下水对建筑基础的腐蚀 地下水以其溶解能力及携带酸性成份的化学反地下水以其溶解能力及携带酸性成份的化学反应能力对可溶岩（石灰岩、白云岩、建筑砼基础等应能力对可溶岩（石灰岩、白云岩、建筑砼基础等）进行溶解侵蚀、携带以及再结晶的过程称为地下）进行溶解侵蚀、携带以及再结晶的过程称为地下水的溶蚀作用。水的溶蚀作用。CaCO3+H2O+CO2Ca(HCO3)

23、2地下水对建筑基础中的某些材料也可产生腐蚀，导地下水对建筑基础中的某些材料也可产生腐蚀，导致其结构瓦解，力学强度大大降低，从而影响地面建致其结构瓦解，力学强度大大降低，从而影响地面建筑的安全稳定，主要表现为三种形式。筑的安全稳定，主要表现为三种形式。 结晶类腐蚀结晶类腐蚀结晶分解复合类腐蚀结晶分解复合类腐蚀分解类腐蚀分解类腐蚀结晶类腐蚀结晶类腐蚀 指地下水中指地下水中SOSO2 2-4-4超标超标SOSO2 2-4-4+Ca(OH)+Ca(OH)2 2 CaSO CaSO4 42H2H2 2O O 二水石膏二水石膏CaSO42HCaSO42H2 2O+CaOAlO+CaOAl2 2O O3 36H6H2 20 0 水化硫铝酸水化硫铝酸钙钙 （水泥杆菌）（水泥杆菌） 体积膨胀一倍以上，使砼结构撑胀破坏。体积膨胀一倍以上，使砼结构撑胀破坏。 分解类腐蚀分解类腐蚀 类似岩溶的形成，主要是腐蚀性类似岩溶的形成，主要是腐蚀性COCO2 2含量过高，含量过高，促使反应向右进行，导致砼中的促使反应向右进行，导致砼中的CaCOCaCO3 3溶解流失，溶解流失，结构瓦解。结构瓦解。 CaCOCaCO3 3+H+H2 2O+COO+CO2 2 Ca(HCO Ca