工程地质赖天文地下水

1、主讲人：余云燕 教授兰州交通大学岩土与地下工程系2022/8/291第4章 地下水4.1 地下水的基本知识 4.1.1 暂时流水的地质作用地下水及其赋存介质 4.1.2 水再岩土中的存在形式 4.1.3 地下水运动的基本规律4.2 地下水的物理性质及化学成分 4.2.1 地下水的物理性质 4.2.2 地下水的化学成分及分类4.3 地下水的类型4.4 地下水对土木工程的影响2022/8/292概 述水的循环大气水、地表水和地下水之间不间断的运动和相互转化的过程。2022/8/293 水循环按其循环范围分为： 大循环指整个地球范围内，在海洋和陆地之间的循环。 小循环指地球局部范围内的循环。2022

2、/8/2944.1 地下水的基本知识地下水是指埋藏和运移在地表以下岩土空隙中的水。松散沉积物中的孔隙坚硬岩石中的裂隙可溶性岩石中的溶隙连通性好分布不均匀连通性差岩土的空隙：4.1.2 地下水及其赋存介质2022/8/295岩土中的各种空隙(据迈因策尔修改补充)1 分选良好，排列疏松的砂；2 分选良好，排列紧密的砂；3 分选不良，含泥、砂的砾石；4 经过部分胶结的砂岩；5 具有结构性孔隙的粘土；6 经过压缩的粘土；7 具有裂隙的岩石；8 具有溶隙及溶穴的可溶岩2022/8/2964.1.2 水在岩土中的存在状态毛细水结合水气态水固态水强结合水弱结合水重力水2022/8/2972022/8/298

3、地表以下一定深度内存在着地下水面。地下水面以上，称为包气带（zone of aeration）；地下水面以下，称为饱水带（zone of saturation）图4.2 包气带和饱水带2022/8/299含水层 ： 给出并透过相当水量的岩土层。隔水层： 不透水但可含水的岩土层。滞水层：弱透水的岩土层。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。2022/8/2910地下水在孔隙中的运动属于层流，遵循达西渗透定律:渗流水量 Q = K A I渗透速度 v = K I4.1.2 地下水运动的基本规律地下水运动层流 产生连续水流紊流 具有涡流性质，各流线相互交错混合流 是层流和紊

4、流同时出现的流动形式自然条件下，地下水流动时阻力较大，流速较小，绝大多数属于层流运动，但在岩土的洞穴及大裂隙中地下水的运动多属于非层流运动2022/8/29114.2.1 地下水的物理性质温度颜色透明度嗅味口味相对密度导电性放射性4.2 地下水的物理性质和化学成分2022/8/2912(1) 温度 地下水的温度与其埋藏深度、地下补给条件及地质条件有关。分为七类：过冷水（0）、极冷水（04）、冷水（420）、温水（2037）、热水（3742）、极热水（42100）、过热水（100）。(2)颜色地下水的颜色决定于水中的化学成分及悬浮物，而纯水是无色的。地下水的物理性质2022/8/2913(3)透

5、明度纯水是透明的，然而天然水中因含有泥砂、腐殖质及浮游藻类等能使水体产生浑浊。如浑浊来自生活污水或工业废水的排泄，则往往是有害的。由于固体与胶体悬浮物的含量不同，其透明度就不同。 根据透明程度可将地下水分为四级： 透明的； 微浊的； 混浊的； 极浊的。地下水的物理性质2022/8/2914(4) 嗅味纯水无嗅味，含一般矿物质时也无味。水中的气味取决于它所含的某些气体或有机物质。如：H2S气体使水具有臭鸡蛋味，腐殖质使水有霉味，Fe2+使水具有有铁腥味。水的气味与水温有很大关系，往往在煮沸时气味更为显著。我国饮用水标准规定需在20及60时无异臭和异味。(5)口味纯水淡而无味，地下水的味道取决于水

6、中溶解的盐类和有机质。地下水的物理性质2022/8/2915(6)比重（相对密度）地下水的比重决定于其中所溶解的盐类的含量，溶解的越多，地下水的比重就越大。纯水比重为1.0，最大时可达成 1.21.3。(7) 导电性地下水的导电性取决于其中所含电解质的数量与性质。离子含量越多，离子价越高，则水的导电性越强。(8) 放射性地下水的放射性取决于其中放射性物质的含量，一般来说，地下水在一定程度上都具有放射性。地下水的物理性质2022/8/2916 4.2.2.1 地下水的化学成分其化学成分以离子、分子和气体三种状态出现：以离子状态出现的有：H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Fe2+、

7、Fe3+、Mn2+等阳离子和OH、Cl、HCO3、NO2、SO42、CO32、SiO32、PO43等阴离子。以分子状态出现的有：Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等，多以沉淀物或胶体形式存在。以气体状态出现的有：N2、O2、CO2、CH4、H2S及放射性气体等。4.2.2 地下水的化学成分及分类2022/8/2917N2、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等气

8、体分子4.2.2 地下水的化学成分及分类4.2.2.1 地下水的化学成分2022/8/2918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。它是用水在105110温度下烘干后称得的干涸残渣和重量来表示的。（g/L）地下水按化学成分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）1133101050502022/8/2919地下水的硬度指水中所含钙、镁离子的总含量。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2022/8/2920我国常用的表示硬度的方法有

9、两种：I德国方法：硬度1相当于每升溶液中含0.357毫克当量的钙、镁离子；II原苏联方法：用每升水溶液中所含钙、镁离子的毫摩尔数。2022/8/2921地下水类型强酸性水弱酸性水中性水弱碱性水强碱性水pH值55777 99按pH值分类PH值为水中H+浓度的负对数值。PH=lgH+地下水一般多为弱碱性水。2022/8/29224.3 地下水的类型4.3.1 地下水按埋藏条件分类及其特征4.3.2 地下水按含水层性质分类及其特征2022/8/2923 地下水的综合分类 类型2022/8/29244.3.1 地下水按埋藏条件分类及其特征潜水包气带水承压水2022/8/2925是指存在于地面以下包气带

10、中的水（土壤水和上层滞水）包气带水2022/8/2926 土壤水 概念: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。主要特征: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。应用: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。2022/8/2927 上层滞水 概念: 包气带中聚集在局部隔水层之上的重力水。 特征： 接近地表，接受大气降水补给，以蒸发形式或 向隔水底板边缘排泄。动态变化很不稳定。工程意义：常始料不及涌入基坑。 供水意义不大。 在寒冷地区易引起道路冻胀和翻浆。2022/8/2928潜水指埋藏于地表以下，第一个稳定隔水层之上具有自

11、由水面的饱水带中的重力水。2022/8/29291. 潜水与大气相通，具自由水面，为无压水；2. 潜水的补给区与分布区一致，直接接受大气降水补 给，旱季时，常以蒸发形式排泄给大气；3. 潜水的动态受气候影响较大，具有明显的季节性变化特征； 4. 潜水易受地面污染影响。 潜水2022/8/2930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。2022/8/2931 潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。2022/8/2932 潜水面的起伏经常与

12、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2022/8/2933当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓；含水层厚度的影响2022/8/2934当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。岩层透水性的影响2022/8/2935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。2022/8/2936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的水力坡度；2022/8/29372022/8/293

13、8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。2022/8/2939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2022/8/2940潜水的补给大气降水2022/8/2941河流补给潜水潜水的补给地表水的补给2022/8/2942潜水的排泄 蒸发; 泉的排泄； 向地表水排泄； 人为排泄。2022/8/2943潜水的排泄泉2022/8/2944潜水补给河流潜水的排泄向地表水排泄2022/8/2945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。2022/8/294

14、6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( a )( b )( c )2022/8/2947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盆地承压斜地2022/8/2948此类承压水的水位受到气候及地形的控制，往往具有较好的径流条件。承压盆地2022/8/29492022/8/2950承压斜地岩性变化形成承压斜地断裂构造形成承压斜地2022/8/2951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。2022/8/2952承压水的补给 大气降水； 地表水； 潜水。2022/8/2953承压水的补给大气降水2022

15、/8/2954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2022/8/2955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2022/8/2956承压水的排泄 向潜水排泄; 泉的排泄； 向地表水排泄。2022/8/2957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2022/8/2958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2022/8/2959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2022/8/2960河谷下切至含水层，则承压水向地表水排泄。承压水的排泄

16、地表水2022/8/2961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。2022/8/2962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2022/8/2963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：103912m 承压水头为: 91838 m含水层埋深为：1038320m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）承压水 ( pressure water )2022/8/296

17、4武汉市（汉口）水文地质剖面长江一级阶地土层厚3050m典型二元结构K 随深度呈对数增大上部黏性土中潜水下部砂砾石中承压水2022/8/29654.2.2 地下水按含水层性质分类及其特征孔隙水裂隙水岩溶水风化裂隙水成岩裂隙水构造裂隙水2022/8/2966 冲积物中的孔隙水孔隙水（ Pore water ）裂隙水（Fracture water ）2022/8/2967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。2022/8/2968岩溶水溶洞2022/8/2969地面沉降地面塌陷流砂管涌浮托作用基坑突涌对混凝土的侵蚀性4.4 地下水对土木工程的影响Uplift pressu

18、reHHh2022/8/2970 耗时4年，花费2000万元，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。其中:上海，2900亿元；苏锡常，469亿元；浙江嘉兴，85亿元 调查显示：在长三角（长江以南）10万平方公里的范围内，因为长期超采地下水，引起了区域性地面沉降与地裂缝等地质灾害，区内1/3范围内累计沉降已超200毫米，面积近1万平方公里。其中上海市区、江苏苏锡常地区、浙江杭嘉湖等地已经形成三个区域性沉降中心，最大累计沉降量分别达到2.63、1.08、0.82米，形成了三个大“漏斗”

19、。苏锡常地区因不均匀沉降，目前已发生22处地裂缝地质灾害。长三角地区已成为中国发生地面沉降现象最具典型意义的地区之一。 过度开采地下水长三角如何应对地面沉降？ (2005-03-29 06:05:39来源: 新华网)2022/8/2971中国科学院院士薛禹群在2004科学发展报告中指出，自20世纪八十年代以来，我国地面沉降已由沿海城市向大面积区域性扩展，形成了以长江三角洲地区和黄淮海平原地区为中心的两大沉降区。目前，我国有近50个城市发生了地面沉降，全国沉降面积48655平方公里，年均直接经济损失1亿元以上。最近20年来，全国地下水开采量平均以每年25亿立方米的速度增加，华北、西北地区城市利用

20、地下水比例分别高达72%和66%，不少地区已属超量开采。如果不考虑极值，依目前的沉降速度，到2050年，海平面将会上升40厘米70厘米，长三角很可能就此桑田变沧海。2022/8/2972 渗透变形 (seepage deformation)管涌：单个土颗粒发生独立移动的现象。 多发生在不均匀的砂砾土中。流土：一定体积的土粒同时发生移动的现象。 多发生在均质砂土层和粉土层中。2022/8/29732022/8/2974基坑突涌隔水层的安全厚度：据得若不满足上述厚度，需降水，使基坑中心承压水位降深满足：则：2022/8/29751998 长江大洪水1998年洪水中各种险情6000余处2022/8/

21、2976 隐患与险情2022/8/2977武汉丹水池堤防抢险2022/8/2978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2022/8/2979抢险方案1.封堵轨道交通4号线区间隧道，解除了因险情对整个隧道区间的威胁2.向地下注浆压浆,减少地下流沙的涌动，保护周边地区的建筑3.拆除受险情影响的大楼

22、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2022/8/29807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”字型围堤，将长江抗洪的经典场景再现！武警官兵火速奔赴现场抢险救灾武警官兵有的抛填沙包堤，有的跳进黄浦江排险堵漏。2022/8/2981给沙堤内侧安置大型钢制桩 24小时筑起长160m,高2m，伸入黄浦江约10m的弧形临时堤坝，控制了险情2022/8/2982建于1989年71米高265米长1993年8月7日垮坝死亡300余人渗透破坏: 青海沟