工程地质第13讲：地下水的地质作用课件

1、第二节地下水的地质作用一、地下水的基本知识 二、地下水的基本类型 三、地下水对土木工程的影响 地下水与人类的关系水资源： :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； 溶解矿床资源： 某些深层地下水含有较高的矿物质，如食盐、芒硝、钾盐、碘盐等，可以提炼作为化学工业的原料； 有些矿泉水具有医疗上的作用； 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

2、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。地下水与人类的关系地下水对人类来说是有利有弊?学习地下水地质作用的工程意义 地下水与土石相互作用产生各种不良的自然地质现象和工程地质现象，给工程的建筑和正常使用造成危害。 地下水还常常给隧道施工和运营带来困难，甚至带来灾害。 一、地下水的基本知识（一）水在岩土中的存在形式（二）岩土的主要水理性质（三）含水层与隔水层概念 （四）地下水的物理性质与化学性质地下水是指存在于地面以下，松散堆积物和岩石空隙（孔隙、裂隙、岩隙）中的水。（一）水在岩土中的存在状态气态水 强结合水（吸着水）弱结合水（薄膜水） 毛细水 重力水（自由水）

3、 固态水液态水结合水 排列致密、定向性强 密度1g/cm3 冰点处于零下几十度 具有固体的特性 温度高于100C时可蒸发强结合水 位于强结合水之外，电场引 力作用范围之内 外力作用下可以移动 不因重力而移动，有黏滞性弱结合水（二）岩土的主要水理性质容水性 持水性 给水性 透水性持水性依靠分子引力或毛细力，在岩土孔隙、裂隙中能保持一定数量水体的性能。指岩土能容纳一定水量的性能。容水性在重力作用下，饱水岩土能够流出一定水量的性能。给水性岩土允许水透过的性能称为透水性。透水性透水的 半透水的 不透水的（三）含水层与隔水层概念 含水层：在正常水力梯度下，饱水、透水并能给出一定量水的岩土层。隔水层：在正

4、常水力梯度下不透水或透水相对微弱的岩土层称为隔水层。构成含水层的条件有空隙存在，并充满足够量的水重力水能从岩土中自由流出（四）地下水的物理性质与化学性质温度 颜色 透明度 嗅味 口味 比重 导电性 放射性等1地下水的物理性质2地下水的化学成分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等化合物气体总矿化度指地下水中所含的各种离子、分子及化合物的总量。 地下水按化学成分

5、分类按总矿化度分类地下水类型淡水弱半咸水强半咸水咸水盐水总矿化度 （g/L）113310105050地下水的硬度指水中所含钙、镁离子的数量。 总硬度水中所含钙、镁离子总量。 暂时硬度可由煮沸去掉的钙、镁离子含量。 永久硬度煮沸后能保留下来的钙、镁离子的含量。按硬度分类总硬度 = 暂时硬度 永久硬度德国方法：硬度1相当于每升溶液中含有CaO10mg； 原苏联方法：用每升水溶液中所含钙、镁离子的毫克当量数表示硬度。表示硬度的方法按PH分类地下水类型强酸性水弱酸性水中性水弱碱性水强碱性水PH55777993地下水水质评价对不同的目的用水，对水的要求也不完全一样，因此对水质评价的标准也不尽相同。生活用

6、水水质评价锅炉用水和蒸汽机车内燃机车用水施工用水二、地下水基本类型（一）地下水按埋藏条件分类及其特征潜水包气带水（上层滞水）承压水是指存在于地面以下包气带中的水。包气带水(上层滞水)(1)水量不大，但季节性变化强烈。 (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)所含的上层滞水水量不大，但其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。包气带水的主要特征：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。潜水面的特征 潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。 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

7、态具有相似性。 当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓； 当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。 潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。 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。地表地形的影响当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓；含水层厚度的影响当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。岩层透水性的影响潜水等水位线图潜水等水位线图是根据所在地区各水文地质点（井、钻孔、试坑和泉等），在大致相同的时间内所测得的潜水面的水位标高编制而成的。潜水等水位线图的用途反映潜水与地表水的相互关系； 确定潜水的埋藏深度； 如有隔水层顶板标高，可以确定含水层的厚度.可以确定潜水的流向及潜水面

8、的水力坡度；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。潜水的补给大气降水; 地表水的补给； 含水层之间的补给； I.越流补给；II.直接补给 凝结水； 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蒸发; 泉的排泄； 向地表水排泄； 人为排泄。潜水的排泄 泉潜水补给河流潜水的排泄 向地表水排泄潜水的特征：具自由水面，补给区与分布区一致，动态变化大，易受污染承压水埋藏并充满在两个隔水层之间的含水层中的地下水，是一种有压重力水。承压水的形成最适宜形成承压水的地质构造有：向斜构造 单斜构造承压斜地承压盆地 此类承压水的水位受

9、到气候及地形的控制，往往具有较好的径流条件。承压盆地承压斜地岩性变化形成承压斜地断裂构造形成承压斜地1地形等高线2等压线3底板等高线1. 某区域承压水的等水压线图,试确定： （1）A 、B点的地下水的流向； （2）B点含水层埋深； （3）C点的承压水头，如果在C点凿井时C点的初见水位深度。 1 地形等高线；2 等压线；3 含水层顶板等高线 标高单位为m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。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

10、层中构成其补给源。承压水的补给 潜水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 地表水承压水的径流径流条件的好坏与地形条件、含水层的透水性、补给区与排泄区的水位差、承压含水层的挠曲程度等有关。承压含水层的涌水量，主要与含水层的分布范围、厚度、透水性、补给区的大小、水的补给来源等因素有关。承压水的涌水量承压水的特征：a.不具自由水面，承受静水压力；b.补给区与分布区不一致，补给区往往小于分

11、布区；c.动态变化小；d.不易受污染。（二）地下水按含水层性质分类孔隙水 裂隙水 岩溶水风化裂隙水 成岩裂隙水 构造裂隙水1.孔隙水：分布地层：Q土中，少数基岩。影响因素：取决于孔隙情况：大小、多少、形状、分选情况、排列及连通情况。2.裂隙水：分布：埋藏在基岩裂隙中的地下水叫裂隙水，这种水运动复杂，水量变化大，与裂隙发育与成因关系密切。类型：（1）风化裂隙水：a 多呈层状裂隙水，水平方向透水性均匀，垂直方向随深度而减弱，b 多属潜水，c 受大气补给，季节性变化明显，常以泉的形式排于河中。（2）成岩裂隙水：a 分布在一定的层位，呈层状分布,b 水量取决于裂隙发育程度、岩石性质和补给条件。（3）构

12、造裂隙水 A.裂隙（节理与断层）性质、成因和发育程度决定了水的存在、类型、运动、富集发育情况，剪性水量不大，张性重要含水层。B. 具方向性，发育成脉状、带状和层状。 脉状存在于张开裂隙中，由于裂隙不连续，水位不一，分布不均，水量小，变化大。带状多分布在断层破碎带中，水量大，延伸远，在一定范围内有一定的补给源及排泄通道，水位一致，层状分布在软硬互层的坚硬岩层中。3.岩溶水埋藏在可溶岩裂隙、溶洞及暗河中的地下水三、地下水对土木工程的影响（一）地下水对混凝土的侵蚀（二）地下水位变化引起的岩土工程中的问题 （三）地下水的不良地质作用 （一）地下水对混凝土的侵蚀性溶出侵蚀 碳酸侵蚀 硫酸盐侵蚀 一般酸性

13、侵蚀 镁盐侵蚀（1）溶出侵蚀： 硅酸盐水泥遇水硬化，生成Ca（OH）2，水化硅酸钙2CaO.SiO2.12H2O.水化铝酸钙2CaO.Al203.6H2O等。地下水在流动过程中，上述生成物中的Ca(OH)2及CaO不断溶解带走，结果使混凝土强度下降。 这种溶解作用与混凝土密度.厚度有关，和地下水中HCO3-含量关系很大，水中HCO3-与混凝土中Ca(OH)2化合生成CaCO3沉淀。Ca(OH)2+Ca(HCO3)2=2CaCO3+2H2O CaCO3充填混凝土空隙，在混凝土表面形成保护层，防止Ca(OH)2溶出，因此HCO3-含量越高，水的侵蚀性越弱，当HCO3-含量平衡CO2，则超出部分CO

14、2称侵蚀性CO2,使混凝土中CaCO3溶解.侵蚀CO2越多则侵蚀性越强，当地下水流速和流量都较大时， CO2容易不断得到补充，平衡不易建立，侵蚀作用不断进行。（3）硫酸侵蚀：水中SO42-含量超过一定数值时，对混凝土造成侵蚀破坏。 一般SO42-250mg/l时就可能与混凝土中的Ca(OH)2作用生成石膏，石膏在吸收2个H2O生成CaSO4.2H2O时，体积膨胀到原来的1.5倍，石膏还能与混凝土中含水铝酸钙作用生成含31H2O的含水硫铝酸钙，体积增大为原来的2.2倍，于是在混凝土中产生很大的应力，使已硬化的混凝土严重溃裂，现场称水泥细菌，反应式如下：3(CaSO4.2H2O)+3CaO.Al2

15、O3.6H2O+19H2O=3CaO.Al2O3.3CaSO4.3H2O 当使用含水铝酸钙极少水泥时，可大大提高水泥抗硫酸盐侵蚀能力，当SO42-含量3000mg/l，不具硫酸侵蚀。 （4）一般酸性侵蚀：当PH较小时，混凝土中Ca(OH)2与酸反应，生成Ca盐，如CaCl2、CaSO4、Ca(NO3)2等，若生成物易溶于水，则混凝土补侵蚀，一般认为，PH1000mg/l时有侵蚀性，而地下水中Mg2+含量很少超过1000mg/l。 据中央台1996年8月11日焦点防谈报道，青海铬盐厂因使用了含硫酸盐的地下水用作工程用水，使桩基础、柱与其他构件遭受腐蚀，损失3000多万。地下水侵蚀性评价 为了评价

16、地下水对混凝土及铁、铝等金属材料的侵蚀性，必须在现场同时采2个水样，1个重1kg，另一个重0.30.5kg，并加CaCO3粉35g，两个样在现场密封后立即送实验室分析，分析项目有：游离CO2、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+、Fe2+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、总硬度和有机质。 根据水样的化学分析结果，对照国家标准岩土工程勘察规范进行地下水侵蚀性评价。评价时还应当考虑建筑物场地的环境和含水层的透水性。（二）地下水位变化引起的岩土工程中的问题 1 地下水位上升情况 （1）浅基础地基承载力降低： 无论是砂性土还是粘性土，无论是何种基础形式，其承载力随地下水位上升而下降的必

17、然性。 由于粘性土具有粘聚力的内在作用，故相应的承载力下降小些，最大下降率在50%左右，而砂性土的最大下降率可达70%。（2）砂土地震液化加剧： 地下水与砂土液化关系密切，没有水也就没有所谓的砂土液化。 经研究发现，随着地下水位的上升，砂土抗地震液化能力随之减弱，在上覆土层为3m情况下，地下水位从埋深6m处上升至地表时，砂土抗液化的能力降低可达74%左右。 地下水位埋深在2m处左右为砂土的敏感区，这种浅层降低的影响，基本上是随着土体的含水量的提高而加大，随着上覆土层的浅化而加剧。（3）建筑物震陷加剧： 首先，对饱和疏松的细粉砂而言，在地震作用下，使得建在其上的建筑物产生附加沉降，即发生所谓的液

18、化震陷。 分析得到，地下水位上升的影响作用为： A） 对产生液化震陷的地震动荷因素和震陷结果起放大作用。当地下水位由分析单元层中点开始上升至地表时，将地震作用足足放大了一倍，当地下水位从埋深3m处上升至地表时，6m 厚的砂土层所产生的液化震陷值增大倍数的范围为2.95。 B） 砂土越疏松或初始剪应力越小，地下水位上升对液化震陷影响越大。 其次，对于大量的软弱粘性土而言，地下水位上升既使其饱和，又扩大了其饱和范围，这种饱和粘性土的土粒空隙中充满了不可压缩的水体，本身的静强度就降低，故在地震作用下，在短瞬间即产生塑性剪切破坏，同时产生了大幅度的剪切变形。 该结果可达到砂土液化震陷值的45倍之多，甚

19、至超过10倍。 海南某地一建在细砂地基上的堤防工程，砂层厚4.5m，地下水位埋深2m，考虑到地下水位上升0.5m或1m时，地基承载力则从320kPa降至310kPa或270kPa，降低率为6.3%或19%。而砂土的液化程度，则从轻微液化变为近乎中等或已为中等液化液化震陷量的增加率达6.9%或14.1%。在地基设计中，必须考虑由地下水位上升引起的这些削弱方面。（4）土壤沼泽化、盐渍化： 当地下潜水位上升至接近地表时，由于毛细作用的结果，而使地表土层过湿沼泽化或强烈的蒸发浓缩作用，使盐分在上部岩土层中聚集形成盐渍土，这不仅改变了岩土原来的物理性质，而且改变了潜水的化学成分，矿化度增高，增强了岩土及

20、地下水对建筑物的腐蚀性。（5）土体产生变形、滑坡、崩塌失稳等不良地质作用：（6）地下水位上升对冻胀作用的影响： 融沉时粘聚力为原来1/10，压缩性增高，建筑物产生较大变形。（7）对建筑物的影响： 当地下水位在基础底面以下压缩层范围内变化时，就将直接影响建筑物的稳定性，若地下水位在压缩层范围内上升，水浸蚀、软化地基土，使其强度降低，压缩性增大，建筑物就可能产生较大的沉降变形，地下水位上升还可能使建筑物基础上浮，使建筑物失稳。（8）对湿陷性黄土、崩解性岩土、膨胀性岩土、盐渍岩土的影响。2.地下水位下降情况（1）地面塌陷： 当水力坡度改变较大，增强了地下水的潜蚀能力，对地层进行冲蚀、掏空，形成地下洞

21、穴，当穴顶失稳时便发生地面塌陷。（2）地面沉降： 如上海1921-1965年下沉2.63m，太原1970初年代-1980年代初10年下降1.32m。抽水含水层水位下降有效应力增加地面沉降土层的不均匀性 边界条件的复杂性地面不均匀沉降地面建筑物和地下管线不同程度的损坏地面沉降ch5- 79 天津市地面沉降西安市地面沉降（3）海水入侵：山东已有730km2。（4）地裂缝复合与产生。（5）地下水源枯渴，水质恶化。 据CCTV-1报道（焦点防谈1997-6-23）在苏州一带，原地下1-2m就有地下水，而现在要在地面以下60-70m甚至超过90m才有。地面沉降在全国20多个城市存在，发生地裂缝、房屋开裂

22、，其中90%在北方城镇，首先怀疑是基础不牢，后来发现大部分房屋出现。是不均匀沉降所致，沪宁铁路一桥墩已下沉1.4m，我国1960年代开采地下水20-30m3，1980年代600m3，1990年代900m3。由于地表水受污染，转而利用地下水。“吃祖宗饭，断子孙路”。（6）对建筑物影响： 当地下水位在基础底面以下压缩层范围内下降时，岩土的自重应力增加，可能引起地基基础的附加沉降，如果土质不均匀或地下水位突然下降，也可能使建筑物发生破坏。（三）地下水的不良地质作用1基坑突涌： 当基坑下伏有承压含水层时，在开挖基坑所留顶板经受不住承压水顶裂或冲毁，称基坑突涌。为避免发生，必须检查安全厚度。H=Hc*rw/r 基坑突涌对建筑基坑下有承压水存在时，开挖基坑减少了基坑底部隔水层的厚度，当隔