第9章地下水岩溶水库渗漏140407

工程地质学地下水岩溶地下水对工程的影响水库渗漏地质条件分析GroundwaterandgeologyGroundwaterisalsoimportantquiteapartfromitsvalueasaresourceoritscloseconnectionwithsurfacewatersupplies.Engineersmustconsidergroundwaterwhenplanningalmostanykindofstructure,eitheraboveorbelowtheground.Ignoringtheeffectofgroundwateronslopestabilitycanbebothcostlyanddangerous.Geologistsseegroundwaterasamajorforceingeologicalchange.Thefluidpressuresexertedbygroundwater,forexample,playanimportantroleintheoccurrenceofearthquakes.Geologistsalsoknowthatthemovementofwaterthroughundergroundgeologicformationscontrolsthemigrationandtheaccumulationofpetroleumandtheformationofsomeoredeposits.GroundwaterandengineeringGroundwatercanalsohavedramaticimplicationsforengineeringandgeotechnicalstudies.Thestudyofgroundwaterisessentialforengineerswhoconstructdams,tunnels,waterconveyancechannels,mines,andotherstructures.Groundwatermustbeconsideredwheneverthestabilityofslopesisimportant,whethertheslopeisnaturalorconstructed.Groundwatermustalsobetakenintoaccountwhendevisingmeasurestocontrolflooding.Inallofthesesituations,groundwaterflowandfluidpressurecancreateseriousgeotechnicalproblems.Groundwater,forexample,maycreatestructuralweaknessesindams,oritmayflowundergroundrightaroundthestructureasitdidattheJeromeDaminIdaho.Waterflowedsoefficientlythroughtherockformationssurroundingthereservoirthatthedamwouldholdnowater,eventhoughitwasstructurallysound.Inanothercase,whengeologicalexplorationwasbeingcarriedoutinpreparationfortheconstructionoftheRevelstokeDaminBritishColumbia,geologistsandengineerswereconcernedaboutanoldlandslideonthebankoftheproposedreservoir.Theysuspectedthatthewaterheldinthereservoircouldincreasegroundwaterpressuresenoughtomaketheslideunstable.Thesolutionwastoincreasedrainagearoundtheslidetoensurethatgroundwaterpressuresdidnotincrease.In1963,thesesameconditionsattheVaiontreservoirinItalycausedaslidewhichkilled2500people.Otherproblemsresultfromtheexcessiveuseofgroundwater.Overdraftingoccurswhenpeopledrawwateroutofanaquiferfasterthannaturecanreplenishit.Themostobviousproblemcreatedisashortageofwater.Overdrafting,however,canalsocreatesignificantgeotechnicalproblems.AlthoughnotanissueinCanada,atmanylocationsaroundtheworldoverdraftinghascausedlandsubsidence.Thiscanproducesevereengineeringdifficulties.PartsofMexicoCity,forinstance,havesubsidedasmuchas10metresinthepast70years,resultinginahostofproblemsinitswatersupplyandseweragesystem.Landsubsidencemayalsooccurwhenthewatertableisloweredbydrainage.Intheearly1970s,forexample,anentireresidentialsubdivisioninOttawasubsidedwhenacollectorsewerwasconstructednearby.Thesubsidenceseriouslydamagedtheresidents'property.地下水指：赋存于地表以下各类空隙空间中的各种状态的水。1.地下赋存空间孔隙岩（土）体骨架颗粒间未被充填物完全占据的空间。描述指标：孔隙率＝孔隙体积／岩(土)总体积孔隙水——赋存其中的地下水即为孔隙水裂隙岩体中由于各种成因而形成的裂隙空间描述指标：裂隙率＝裂隙体积／岩(土)总体积裂隙水——赋存其中的地下水即为裂隙水溶隙岩体中由于可溶岩类的溶解而形成的溶蚀空间描述指标：溶隙率＝溶隙体积／岩(土)总体积岩溶水——赋存其中的地下水即为岩溶水潜水承压水按存储空间分为孔隙水裂隙水溶隙水2.地下水按存储位置分为包气带水裂隙水

岩溶水按埋藏条件按空隙类型孔隙水两者组合沼泽水、土壤、沙漠及滨海砂堆砂丘水，隔水透镜体上的水基岩风化壳中季节性存在的水裸露岩溶岩层中季节性存在的水冲积、坡积、洪积、湖积物、冰积物中水基岩上部裂隙中的层状水、未被水充满的层间裂隙水裸露岩层上部层状水，未被水充满的层间岩溶水，未被充满溶洞的地下暗河水松散岩层构成的向斜、单斜中水，山前平原的深部水向斜或单斜构造层状裂隙岩层中的水，构造破碎带、接触带中的水构造盆地，向斜或单斜构造中的水，构造破碎带、接触带中的水包气带水潜水承压水地下水分类表3.岩（土）体渗透性按相对透水性岩土层分为

透水层：空隙多而大的岩（土）层，地下水能在其中运移（如砂卵石层、结构较松散砂岩层等）含水层：储存有地下水的透水层（多孔砂岩，裂隙发育的碳酸岩、岩浆岩以及砂卵石层等）。空隙少而小的致密岩土层（粘土岩、粘土层以及压性断层破碎带等）。隔水层：川大科技孵化楼基坑，何鹏摄于2003年3月四川省新津县老君山砂岩、泥岩互层，何鹏摄于2006年5月渗透系数K达西定律：V=KIV——渗透速度(m/d,cm/s)

I——水力坡度K——渗透系数(m/d,cm/s)达西定律适用范围：雷诺数≤10雷诺数：表示惯性力与粘滞力之间关系的一个数，

Re＝惯性力／粘滞力K的确定方法——抽水实验法主要用途•岩土层透水性评价、描述、分类•地下水出水量、流量计算无压完整井的环状井点系统涌水量计算公式Q—井点系统的涌水量（m3／d）K—土层的渗透系数（m／d）H—含水层厚度（m）S—降水深度（m）R—抽水影响半径（m

）x0

—环状井点系统的假想圆半径（m）透水率q指：1MPa压力下每米试段、每分钟压入岩层中的水量，单位：L／min（吕荣Lu）确定方法——压水实验法主要用途•岩土层透水性评价、描述、分类•防渗设计的依据之一•防渗效果评价指标之一和单位吸水量ω的关系：1Lu≈0.01ωL／min·m·104PaK

与q

的异同相同之处：都可作为岩土层透水性的评价指标不同之处•测试方法不同•测试的对象不同•结果的精度不同•结果的使用不同4.潜水特征•分布区与补给区一致（易受污染）•潜水面以上无稳定的隔水层•向水位低处渗流,水面形状与地面起伏有一定的一致性。指：地表以下第一个稳定隔水层以上的具有自由水面的重力水。相关术语潜水面：潜水的自由表面潜水位：潜水面上任意一点的标高即为该点处的潜水位潜水埋深：潜水面到地表的铅直距离潜水（含水层）厚度：潜水面到隔水层顶板的铅直距离在潜水的渗流途径上，任意两点的水位差与该两点间的水平距离之比潜水水力坡度：可获取的工程信息•潜水的流向•潜水与地表水流间相互补给关系•潜水的水力坡度•潜水面的埋深•含水层的厚度潜水等水位线图用以描述潜水面起伏情况的潜水位等直线图1—地形等高线2—等水位线3—等埋深线4—潜水流向5—埋深为零区6—埋深为0～2m区7—埋深为2～4m区8—埋深大于4m区ContouringtheWaterTable5.承压水特征•由三区组成：补给区承压区排泄区•承压水受外界因素影响小•最适宜于形成承压水的地质构造向斜——承压盆地指:充满于两个隔水层之间的含水层中具有承压性质的地下水。单斜——承压斜地相关术语初见水位：钻孔刚打穿隔水层底板时所见的水位

承压水位：地下水上升到含水层顶板以上某一高度稳定不变时的水位水头：承压水位与隔水层底板间的距离(正、负水头)自流水：为正水头时，隔水层底板被打穿后承压水会自行喷出地表据图可获取的工程信息•承压水流向•承压水位埋深•承压水水力坡度•承压水含水层埋深•水头大小请确定E点处承压水的:1.地面高程2.承压水位3.承压水含水层埋深4.水头大小5.承压水位埋深承压水等水压线图即：承压水面的等高线图，据测点承压水位绘制。承压水等水压线图1—地形等高线2—含水层顶板等高线3—等水压线4—地下水流向岩溶1.岩溶发育的必要条件⑴发育可溶性的岩石碳酸盐类岩石（溶解度最小，但分布最广）硫酸盐类岩石（石膏等）氯化盐类岩石（盐岩等）⑵岩层的透水性透水性愈好，岩溶愈发育透水性决定于•裂隙是否发育•孔隙是否发育•风化程度如何⑶水的溶解能力溶解力取决于水中的CO2含量(主要是侵蚀性CO2)

CaCO3(固体)+CO2+H2O九寨沟黄龙钙华Ca(HCO3)2云南陆南石林CO2含量越高，溶解力越强

水中CO2的来源•雨水溶解空气中的CO2•生物化学作用⑷水的运动状态指水的循环交替交替循环条件越好，岩溶越发育2.岩溶形态的垂直分带岩溶垂直发育带水流特征：垂直运动岩溶特点：岩溶连同性差岩溶交替发育带位置：地下水最高水位和最低水位之间水流特征：水平、垂直两向流（分期）岩溶特点：岩溶连通性较好位置：地表以下、最高地下水位以上垂直发育带交替发育带最高地下水位最低地下水位岩溶水平发育带水流特征：水平方向为主岩溶特点：发育大量溶洞、暗河、地下湖泊岩溶深部循环带位置：水平岩溶带以下水流特征：不受基准侵蚀面的控制，在构造控制下向更远更低的排泄区流动岩溶特点：岩溶主要为溶隙和溶孔位置：最低地下水位以下,下限为地方性侵蚀基准面交替发育带水平发育带深部循环带最高地下水位最低地下水位地方性侵蚀基准面垂直发育带注意形态分带发育的原因：表层与深层岩溶发育的条件不同完整的岩溶形态分带出现在厚层可溶岩、峡谷型河谷浅部常出现近水平溶洞成层分布现象岩溶水和裂隙水的特征•裂隙水分布不规律(很大程度上受到构造的控制)王卫摄于锦屏一级水电站厂房平洞，2003年5月•裂隙水的水力联系差,表现在小范围内地下水即有较大的变化•岩溶主要沿已有裂隙发育•岩溶也受层面的控制•岩溶水的分布较裂隙水更不规律、更加集中

新华网贵阳12月14日电（记者刘文国）记者从贵州思南煤矿透水事故现场抢险救援指挥部了解到，水文地质专家初步查明导致这起事故的主要原因是，煤矿在掘进过程中突然遇到隐伏溶洞地下水。据贵州省103地质大队大队长周琦介绍，经过连续2天的实地调查，并结合地质队以前对这一带地质情况的勘察资料，可以初步作出这一判断。周琦说，由于出水点位于当地侵蚀基准面以下近200米，所以突出的这些隐伏岩溶管道水，还具有一定承压力。透水时来势极为凶猛，短时间内就迅速将深部矿井淹没，导致灾害发生。周琦说，一般岩溶地区地质构造，特别是水文地质条件特别复杂，要摸清岩溶的分布规律，具体准确定位是十分困难的。

12日中午12时30分，贵州思南煤矿发生透水事故，截至记者发稿时，被困井下的36名矿工仍生死不明。3.泉即：地下水在地表的天然露头按出露原因分为侵蚀泉接触泉溢出泉断层泉下降泉按含水层性质分为上升泉峨眉山温泉形成过程示意图大气降水由桂花场向斜西翼的P1灰岩露头区下渗补给经向斜轴部顺层渗流过程中受地壳内地热增温作用,导致地下水温度升高受阻后沿P1灰岩中的岩溶溶洞及地下暗河径流汇集于当地最低侵蚀基准面的峨嵋河谷呈上升泉泄出峨嵋山温泉井峨眉山温泉特征温泉热储——P1灰岩岩溶热储盖层三叠系的砂岩、泥岩互层（为紫红色）二叠系的砂岩、泥岩互层（为紫红色）通道●沿峨眉山玄武岩底界发育的溶蚀裂隙是其排向地表的直接通道●沿牛背山背斜轴向发育的纵张裂隙及横张裂隙则控制着灰岩含水层中的岩溶发育源水源桂花场向斜翼部的牛背山背斜轴部的P1灰岩露头区地表水及大气降水热源无特殊热源（放射性或熔岩热）位于正常地热增温场内，地温梯度为2°～3°/100米物质来源各种标准元素含量较冷泉及地表水高氡含量在3.5马赫以上，泉水为有医用价值的氡泉异常物质主要来自于深部岩浆岩中放射性元素的蜕变

峨眉山玄武岩何鹏摄于美国黄石国家公园，2009年9月19日何鹏摄于美国黄石国家公园，2009年9月19日泥火山何鹏摄于美国黄石国家公园，2009年9月21日BoilingRiver露天温泉何鹏摄于美国黄石国家公园，2009年9月21日OldFaithful间歇热喷泉地下水与工程1.浮托作用指：地下水对水位以下的岩土体有静水压力的作用，并产生浮托力天府广场地表面约30m过街隧道地下商城地铁车站施工完成后地下水位抗拔桩确定：可由阿基米德原理确定，即地下水位以下岩石、土颗粒以及水位以下建筑物体积的浮力2.潜蚀作用潜蚀：指岩土体中由于渗透水流的冲刷作用，将其中细小颗粒冲走带出的现象。潜蚀的危害：使岩土体结构松散空隙率增大强度降低形成空洞地基岩土体破坏昨日上午9时许，位于中关村大街的地铁四号线一降水井工地旁发生塌陷，未造成人员伤亡。北京市政污水处理系统的工作人员说，塌陷处下方有一污水井渗水，可能因此导致土壤疏松引发塌陷。

当地时间2月23日凌晨，中美洲危地马拉首都危地马拉城一个人口密集的贫民区突然发生地陷，造成一个直径为70米、深度为100米的污水坑。当地一家三口被当场淹死，另有20多间房屋下陷，近千人疏散。据初步分析，事故原因可能是主下水道爆裂引发地陷。易发生潜蚀的地层•粉细砂、粉土地层(施工降水时极易发生)•软弱夹层泥化夹层断层破碎带•剧、强烈风化带•可溶盐类物质胶结岩层潜蚀分类机械潜蚀指：由渗透水流的动水压力冲走细小颗粒产生条件单位动水压力≥潜蚀处的细小颗粒的浮重度渗透水流的水力坡度＞产生潜蚀的临界水力坡度Ic

—

临界水力坡度G

—

土颗粒密度n—

土的孔隙度(小数)分为发展型非发展型化学潜蚀单位动水压力管涌形成过程渗流渗流力土颗粒被带走潜蚀发生W0.1W1321——渗透集水区宽度2——等压线3——流线岩土体渗透变形（结构变松、强度降低）渗流出口处侵蚀成孔洞渗透途径减短、水力梯度增大的水流向其集中孔洞不断溯源发展水流集中管道形成管涌形成3.流砂现象易发生岩土环境——粉细砂和粉土地层一般现象—粉细砂土层被水饱和后产生整体流动产生条件水力坡降＞临界水力坡降土的孔隙度越大，越易产生流砂现象渗透系数越小，排水性能越低，愈易形成流砂危害影响开挖工作面上的施工影响开挖工作面附近地面建筑物的稳定倒塌的楼房位于上海中山南路，这是正在施工中的地铁4号线（浦东南路至南浦大桥）区间隧道浦西联络通道发生大量流沙涌入，引起地面大幅沉降所致。4.砂土液化砂土液化与流砂现象的异同相同或相似处机理上均与土层的瞬时排水不畅有关结果上均造成了地基土层承载力的降低不同点均容易发生在饱水的粉细砂土层中迫使土层瞬时排水的原因不同形成临空面受到强烈振动现象发生时流体压力状态不同5.基坑突涌产生原因——基坑下部有承压水一般现象—基坑开挖引起承压水头压力冲毁基坑底板可能性评价公式M≥(γw／γ)HM—基坑开挖后不透水层厚度γ—土的重度（KN／m3）γw

—水的重度（KN／m3）H—承压水头防治措施—打减压井降低基坑下部承压水头6.地下水对建筑材料的腐蚀作用⑴地下水化学成分主要气体成分:N2O2CO2H2S阳离子:H+Na+K+Ca2+Mg2+Fe3+Fe2+阴离子:OH-Cl-SO42-CO32-HCO3-SiO32-主要离子:Na+K+Ca2+Mg2+Cl-SO42-HCO3-胶体:Fe(OH)3Al(OH)3H2SiO3有机质:碳、氢、氧为主的高分子化合物

⑷水的硬度分类0~0.5GPG为软水0.5~3.5GPG为微硬3.5~7.0GPG为中硬7~10.5GPG为硬水10.5~14.0GPG为很硬14.0GPG以上为极硬美国WQA标准⑵地下水的总矿化度：地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量，以每公升中所含克数表示。⑶地下水的总硬度：地下水中Ca2+

、Mg2+

离子及其化合物的总量，GPG（克／加仑）为水硬度单位。⑸结晶类腐蚀产生原因：地下水中SO42-

离子含量超标化学反应SO42-

＋Ca(OH)2(混凝土中的)腐蚀现象水泥杆菌较原体积增大221.86%CaSO4·2H2O(二水石膏结晶体)CaO·Al2O3·3

CaSO4·31H2O（水化硫铝酸钙(水泥杆菌)）与CaO·Al2O3·6H2O(水化铝酸钙)反应在混凝土中产生很大的内应力强大的内应力将破坏混凝土结构⑹分解类腐蚀产生原因：水中侵蚀性CO2含量过大化学反应：CaCO3+H2O+CO2Ca2++2HCO3-腐蚀现象：将混凝土中固体CaCO3分解⑺复合类腐蚀产生原因：水中NH4+、NO3-、Cl-和Mg2+超标化学反应MgSO4+Ca(OH)2

(混凝土中的)腐蚀现象结晶膨胀分解流失Mg(OH)2CaSO4·2H2O(二水石膏结晶体)与CaO·Al2O3·6H2O

(水化铝酸钙)反应CaO·Al2O3·3

CaSO4·31H2O（水化硫铝酸钙(水泥杆菌)）MgCl2+Ca(OH)2

(混凝土中的)Mg(OH)2+CaCl27.施工排水明排水法：截、疏、抽（排走地表水）人工降低地下水位电渗井法（适用于K＜0.1m/d）喷射井法（基坑开挖较深）轻型井点法（适用于K=0.1～50m/d）管井井点法（适用于K=20～200m/d）地面反弹8.工程降水对环境的影响地面沉降水库及坝区渗漏的工程地质分析库区渗漏（分水岭、河湾）库水渗漏的主要途径库区渗漏河湾引发的库区渗漏分水岭引发的库区渗漏坝区渗漏（绕坝渗漏、坝基渗漏）分水岭绕坝渗漏绕坝渗漏坝基渗漏1.库区渗漏

永久性渗漏（通过一些集中的渗漏通道持续向库外渗漏）暂时性渗漏（饱和库水位以下空隙而损失的水）分为发生渗漏的地貌条件对于山区水库：库水位高于邻谷谷底水位对于平原水库：有河曲发育或有古河床宽大的断层破碎带、褶曲转折部位发生渗漏的地质条件

分水岭或河湾地带有岩溶通道分水岭地区有古河道或冰河沉积的砂石砾层分布发生渗漏的水文地质条件分水岭地带为潜水为承压水—透水层在邻谷出露高程低于库水位,则可能渗漏库区渗漏判断步骤⑴分析河谷两岸的地形地貌（注意分水岭、垭口的高程）⑵了解有无渗漏通道⑶与水文地质条件,如分水岭和库水位的关系进行综合分析建库前，地下分水岭高于正常库水位，不漏低于时当库水的顶托作用明显，不漏低得太多，分水岭消失，漏低于原河水位，加剧漏2.坝区渗漏按渗漏路径分为坝基渗漏绕坝渗漏按渗漏通道分为均匀渗漏，通道为砂砾石层

均布风化裂隙集中渗漏，通道为较大断裂带岩溶通道

(1)

松散地层坝区何鹏摄于青川县，2006年12月29日渗漏通道—透水性强的砂砾石层峡谷坝区砂砾石层分布于谷底何鹏摄于青川县，2006年12月29日易发生坝基渗漏宽谷坝区谷坡阶地中有砂砾石层易发生坝基和绕坝渗漏(2)

岩质坝区渗漏通道顺河向张开断裂带

（大规模渗漏通道）顺河向其它结构面

(成岩原生结构面）河谷地貌对渗漏的影响喇叭型河谷平直型河谷—上下游渗漏条件一致上窄下宽时，库水渗入条件差，排泄条件好下窄上宽时，库水渗入条件好，排泄条件差弯曲型河谷—凸岸库水渗入条件比凹岸好倾斜结构面对渗漏的影响纵谷岩体中主要结构面的走向与河道延展方向近于平行的河谷段纵向上，渗、排通畅横向上,一岸利渗,但排泄不畅,另一岸渗、排均不利横谷岩体中主要结构面的走向与河道延展方向近于垂直的河谷段纵向上，不利渗漏横向上,两岸的入渗、排泄条件相同,易发生库区渗漏斜谷岩体中主要结构面的走向与河道延展方向斜交的河谷段岩层向上游倾斜，不易渗漏岩层倾下游,缓倾时易坝基渗漏;陡倾时,利渗不利排横向上渗、排条件与纵谷相似3.岩溶地区渗漏的条件分析河谷地质结构岸边的卸荷裂隙指：可溶岩与非可溶岩的组合、埋藏条件与河谷的相互关系无隔水层的河谷应注意顺河断层纵向的张裂隙有隔水层纵谷易产生坝区渗漏(隔水层对坝区防渗作用不大)库区则具有天然防渗条件(以向斜谷最理想)横谷坝区在地层向上游倾斜时不易发生渗漏坝区在地层向下游倾斜则易发生渗漏易发生库区渗漏（分水岭单薄时更易发生）同学们，什么是纵谷？什么是横谷？什么是斜交河谷？这些问题很重要，你们搞清楚了吗？岩溶裂隙及孔隙溶蚀断裂带（岩溶地区分布最广、最常见）岩溶地区主要渗漏通道溶洞、暗河、落水洞、竖井(大规模集中渗漏通道)SinkholesinPermianKaibablsalongrightbankofChevelonFork(oftheLittleColoradoRiver)昆明郊区的“落水洞”Ascanbeseenfromthefigureontheleft,theoriginalplanwouldenablealargergenerationscale,butthesatelliteimageshowsthattheareatobesubmergedbythereservoir(indicatedinlightblue)includedmanyhousesandroads,aswellashighconcentrationsoflimestone(indicatedinpink),whichcanbeacauseofwaterleakage.Inthereviewedplanontheright,thedamconstructionsitewasmovedhigheruptheriver,wheretheseproblemsaremuchlesssignificant.4.水库防渗措施介绍降低坝基扬压力（浮托力与渗透压力之和）防渗的目的减少渗流量渗透压力是水在建筑物上、下游水位差作用下渗入建筑物及地基内而产生的水压力坝基中无帷幕和排水时渗透压力的分布坝基中有帷幕和排水时渗透压力的分布防止坝基因渗透变形而使地质条件恶化帷幕灌浆（适用于砂砾石层厚度大的情况）铺盖防渗，用于砂砾石层厚度大作截水墙困难无条件灌浆等情况排水减压水平排水（设置反滤层）垂直截流松散地层防渗截水墙（适用于坝基松散地层透水性强的情况）对于成层结构的砂砾石地基，单纯采用水平防渗设施，常常不能有效地降低渗透压力，特别是当下游坝基有较不透水的土层覆盖时，在其下卧的砂砾石层中可能产生较大的