工程地质学第5章课件

工程地质学-第五章

EngineeringGeologybyLiAnlong中国海洋大学–青岛May.4~May.11,20091．地下水的基本概念岩土空隙：孔隙、裂隙及溶隙岩土的水理性质：容水性、持水性、给水性及透水性，含水层、隔水层与透水层2．地下水类型按埋藏条件分类：上层滞水，潜水及承压水；按赋存介质分类：孔隙水、裂隙水、岩溶水。3．地下水的物理性质和化学成分地下水的物理性质：地下水的化学性质：化学成分、硬度、矿化度等。4．地下水与工程建设渗透变形：流土与管涌，地面沉降，地下水的浮托作用，承压水的作用，及地下水对混凝土的腐蚀。重点：潜水、承压水、孔隙水、裂隙水的特征，地下水的化学性质，地下水与工程建设。难点：承压水及其特征，渗透变形，地下水对混凝土腐蚀。第五章地下水教学内容1）大气水：以云﹑雾﹑雨﹑雪﹑冰雹等形式存在于大气层中的水分称大气水2）地表水：一液态或固态的形式存在于江河﹑湖泊﹑海洋﹑南北两极及高山地区的水3）地下水：地下水是以固态﹑液态或水气形成存在于岩土体裂隙﹑孔隙和空洞中的水5.1地下水的基本概念5.1.1自然界的水

地下水的源泉5.1.2岩土的孔隙性Porosity1）裂隙：2）溶隙：3）孔隙：水运移的通道3.地下水的分类：根据岩土中水的物理力学性质可将地下水分为：气态水、结合水、毛细水、重力水、固态水以及结晶水和结构水5.1.2地下水的形成与存储1．渗透作用和凝结，还有少量的原生水a.草原沙漠；b.山体流水2．地下水的赋存方式：气态、液态和固态三种形式5.1.4地下水位，包气带和饱水带、含水层、隔水层1．地下水位是指岩土体中重力水的自由界面2．地表以下第一个稳定含水层水位以上未被水饱和的岩土体的范围称包气带；而将该水位以下，孔隙全部被水所充填的岩土体范围称饱水带。隔水层常规水力梯度下，渗透性极差，给水度极小的岩土层称隔水层含水层：在常规水力梯度下，有一定给水度并具透水性的饱水岩土层形成条件：（1）孔隙，裂隙：（2）隔水层，补给源

5.1.5岩土体的水理性质1．容水性（度）：岩土空隙完全被水充满时的含水量称为容水度，它用容积表示时即为：岩土空隙中所能容纳的最大的水的体积与岩土体积之比，以小数或百分数表示。nr=Vv/V×100%2．持水性（度）：岩土颗粒的结合水达到最大数值时的含水量称为持水度(最大分子含水量)。即在重力作用下，岩土空隙中仍能保持的水的体积与岩土体积之比。nch=Vch/V×100%持水度实际上说明岩土中结合水含量的多少3．给水性（度）：饱水岩土在重力作用下排出水的体积与岩土体积之比，称为给水度。给水度在数值上等于容水度减去持水度。给水度可用野外抽水试验确定，ng=Vg/V×100%，ng=nr-nch已知某土体的孔隙比为0.988,持水量为17%，试确定其溶水度、持水度和给水度。=（0.988/1.988）=49.7%=

nr=Vv/V，

nch=Vj/V=17%，ng=nr-nch=49.7%-17%=32.7%

4．透水性permeability

：允许水流透过的性能。通常用渗透系数表示。渗透系数尺可以用野外抽水试验测定。达西定律1852～1855年，法国水力学家达西(H．Darcy)通过大量的实验，得到地下水线性渗透的基本定律：水力梯度I•Qis渗透流量

oftheaquifer.•Kis渗透系数

oftheaquifer.•Iisthe水力梯度.•Ais过水断面的面积

.5.1.6自然界水的循环1．自然界水循环的一般描述2．大循环（指水在海洋和陆地之间的整个范围内进行循环）小循环（指自然界的水在陆地或海洋自身内部的运动，相互转化和循环）土壤水分(w)陆地水循环海洋水循环裸地蒸发雪3851115.2地下水的基本类型5.2.1地下水按埋藏条件分类（地下水不包括水气，结合水，毛细水）1）包气带水（1）包气带水（上层滞水）形成（2）上层滞水一般特点：a．分布范围小，厚度小，水量少；b．大气降水或凝结水补给；c．以蒸发或沿隔水层外缘外泄；d．动态不稳，季节性变化大；e．易污染

大气降水沿岩土裂隙、孔隙的下渗可在局部隔水透镜体上形成储量和规模皆较小的重力水2）潜水（1）定义：地表以下第一个稳定的隔水层之上，具有自由水面的重力水称潜水2）特点：a.分布范围广：Q4松散沉积物、岩石裂隙、洞穴等，b.赋存方式（有底无顶）；c.补给方式（大气﹑地表水、深层地下水及凝结水、江河）；d.排泄方式(直接流入地表水或者蒸发排泄)；e.不稳定性；f.易污染3）层间水（1）定义：存在于地表以下两个稳定的隔水层之间的含水层中重力水称为层间水，受到超静水压力作用时则称其为承压水，俗称自流水（2）特点：a.补给区与分布区不一致；b.污染小，水质好；c.动态变化小，蒸发量小；d.排泄方式：多种多样，泉；e.承压水形成的有利构造：（山有多高，水有多高）向斜构造盆地﹑单斜构造。隔水层5.2.2地下水按含水层性质分类按其空隙性质的不同可分为孔隙含水层、裂隙含水层和岩溶含水层。储存在这些含水层中的地下水分别称为孔隙水、裂隙水和岩溶水。1）孔隙水孔隙水广泛分布于第四纪松散的沉积物中，在较老的岩石中也有较少分布，孔隙水的存在条件和特征取决于岩土的孔隙状况，包括孔隙的大小和多少由于埋藏条件的不同，孔隙水可形成上层滞水、潜水和层间水2）裂隙水埋藏在基岩裂隙中的地下水叫裂隙水。风化﹑成岩﹑构造裂隙水。(1)风化裂隙水；分布在风化裂隙中的地下水多数为层状裂隙水，由于风化裂隙彼此相连通，因此在一定范围内形成的地下水也是相互连通的水体，水平方向透水性均匀，垂直方向随深度而减弱，多属潜水。(2)成岩裂隙水：具有成岩裂隙的岩层出露地表时，常赋存成岩裂隙潜水。岩浆岩中成岩裂隙水较为发育。具有成岩裂隙的岩体为后期地层覆盖时，也可构成承压含水层，在一定条件下可以具有很大的承压性。(3)构造裂隙水：由于地壳的构造运动，岩石受挤压、剪切等应力作用下形成的构造裂隙，其发育程度既取决于岩石本身的性质、也取决于边界条件及构造应力分布等因素。层状构造裂隙水可以是潜水，也可以是承压水。3）岩溶水赋存和运移于可溶岩的溶隙溶洞(洞穴、管道、暗河)中的地下水叫岩溶水。南方地区分布比较广。岩溶水分布很普遍，水量丰富，对供水极为有利，但对矿床开采、地下工程和建筑工程等都会带来一些危害根据岩溶水的埋藏条件可分为：岩溶上层滞水、岩溶潜水及岩溶承压水4）泉泉是地下水天然露头。主要是地下水或含水层通道露出地表形成的。因此，泉是地下的主要排泄方式之一。泉的类型按补给源可分为三类：(1)包气带泉：主要是上层滞水补给，水量小，季节变化大，动态不稳定。(2)潜水泉：又称下降泉，主要靠潜水补给，动态较稳定，有季节性变化规律，按出露条件可分为侵蚀泉、接触泉、溢出泉等(3)自流水泉：又叫上升泉，主要靠承压水补给，动态稳定，年变化不大，主要分布在自流盆地及自流斜地的排泄区和构造断裂带上。5.3地下水的物理性质和化学成分1.地下水的物理性质

地下水的物理性质主要包含地下水的密度、温度、颜色、透明度、放射性、气味和口味等。1）密度：取决于水中其它物质及含量。当地下水比较纯净时，其密度接近1g/cm3，而当地下水溶有较多的其它化学物质时，其密度则可达1.2g/cm3～1.3g/cm3

2）温度：受气候和地质条件控制。可由0～100℃个别地区达到100℃。3）颜色：取决于化学成分及悬浮物。4）透明度：取决于悬浮颗粒及杂质的种类与含量。常见的地下水是无色透明的，当含有一定量的固体物质或悬浮杂质时，透明度变差。5）气味和口味：H2S臭鸡蛋，有机质霉味，NaCl咸味，含CaCO3的水清凉爽口；含Ca(OH)2和Mg(HCO3)2的水有甜味，俗称甜水，当MgCl2和MgSO4存在时，地下水有苦味。6）导电性：盐类水溶液是电解质溶液，因此，地下水的导电性取决于溶解于地下水中的盐量。反之，也可利用地下水导电性大小粗略判断水的总矿化度。7）放射性：地下水的放射性是由地下水中的气态镭射气（氡）及少量放射性盐类引起的。事实上，除个别情况外，地下水在一定程度上都具有放射性。1）地下水中主要离子成分地下水中的主要离子成分有：阳离子：H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Fe2+。

阴离子：OH-、Cl-、SO42-、NO2-、NO3-、HCO3-、CO32-、SiO32-、PO42-。

地下水中分布最广、含量较多的离子是：Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Cl-、SO42-、NO2-、HCO3-。即4种阳离子和3种阴离子。氯盐的溶解度最大，硫酸盐次之，碳酸盐较小，钙的硫酸盐，特别是钙、镁的碳酸盐溶解度最小2)气态物质：O2﹑N2﹑CO2﹑CH4﹑H2S3)化合物：Fe2O3﹑Al2O3﹑H2SiO3，多为难溶于水的矿物胶体2.地下水的化学成分3.地下水按总矿化度的分类1）总矿化度定义：单位体积地下水中所含有的金属离子，化合物以及其它微粒的总量，g/l。地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量称为矿化度，以g／L表示。习惯上用105℃～110℃温度将地下水样品蒸干后所得的干涸残余物总量来表示矿化度。也可以将分析所得阴阳离子含量相加，求得理论干涸残余物总量。2）总矿化度测试方法：坩埚或蒸发皿105～110℃，固体残渣3）地下水按总矿化度分类：分类淡水微咸水咸水盐水卤水固体残渣（g/l）<11～33～1010～50>50

水中氢离子浓度的负对数值称水的pH，即pH＝－1g[H+]4.地下水按氢离子浓度的分类地下水的分类名称

pH极酸性水

pH＜5酸性水

pH=5～7中性水

pH=7碱性水

pH=7～9强碱性水

pH＞95.地下水的硬度1．定义：用硬度来表示水中钙镁离子含量多少。H°=1表示1升水中含10mgCaO或7.2mgMgO2．地下水按硬度分类：极软H°≤4.2；软4.2～8.4；微硬8.4～16.8；硬水16.8～25.2；极硬>25.2我国的饮用水标准饮用水的色度不应超过15度，也就是说，一般饮用者不应察觉水有颜色，无异常的气味和味道，水呈透明状，不浑浊，无用肉眼可以看到的异物。其他和饮用水感官性状有关的化学指标：包括总硬度、铁、锰、铜、锌、挥发酚类、阴离子合成洗涤剂、硫酸盐、氯化物和溶解性总固体。这些指标都能影响水的外观、色、臭和味，因此规定了最高允许限值。例如饮用水中硫酸盐过高，易使锅炉和热水器内结垢并引起不良的水味和具有轻泻作用，故规定其在饮用水中的限值不应超过每升250毫克。一定硬度的水，能降低金属的毒性及心血管病的发生率，但是，居民饮用的水还需进行软化处理，以免让硬水带来不良后果鉴别硬水和软水的方法：方法1：取一杯热水，把肥皂切碎投入其中，肥皂能完全溶解，冷却后成为一种半透明液体（肥皂较多则成冻），即为软水;若冷却后水面有一层未溶解的白沫则为硬水。白沫越多，水的硬度越大。方法2：还可以用烧杯加热，在杯壁留下较多水垢的是硬水。因为硬水是含有较多的可溶性钙，镁物质的水，加热后，这些可溶性的钙镁物质转化成不可溶性的物质，沉淀杂质多的是硬水，杂质越多，水的硬度越大。家居使用软水的益处厨房：餐具、瓷器光洁如新，绝无水渍痕迹；减少使用洗涤用品53%，大大利于环保，厨房清洁时间减少50%。卫生：马桶、水槽、浴缸不再发黄生垢，产生异味，淋浴喷头的小孔不再有白色水垢，水流畅通无阻。洗衣：衣物柔软、洁净、色泽如新，衣物纤维增加33％洗涤次数，减少洗衣粉55％使用量，减少洗衣机等用水设备由于使用硬水而导致的维修问题。设备：壁挂炉或热水器的维修次数大大减少，热水器寿命延长一倍以上，热水器煤气及用电费用减少29％～32％，家庭内墙中安装的水管不结垢、不阻塞。6.影响地下水化学成分的主要作用

地下水中各种化学成分的形成主要和两个方面的因素有关:A.与地下水的补给类型有关。地下水补给类型不同，补给源中所含的物质成分不同，形成的地下水所含的化学元素自然不同；B.影响地下水化学成分的另一重要因素是地下水的存储和运移环境。地下水在存储和径流过程中不断与周围的岩石体物质发生着一系列作用来改变其化学成分。主要作用有7：影响因素有2：1）溶解溶滤作用：可溶物质溶于水，难溶物质剩下。地下水中的Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Cl-、SO42-、NO2-、HCO3-等元素都来自于地下水对岩土体的溶解溶滤作用。3）离子交换和吸附作用：水中的一些化学物质吸附在颗粒表面上与颗粒表面上原来以吸附的某些离子进行交换而改变地下水的化学成分。2）浓缩作用：浅层地下水水分蒸发而浓缩，溶解度小的物质析出而改变其化学成分。（硫酸盐和氯化物含量增高，碳酸盐含量减少）SO42-4）脱碳酸作用HCO3-环境改变而使其温度增高或压力降低，CO2便会从地下水中逸出Ca2++2HCO3-〈==〉CaCO3↓+CO2↑+H2OMg2+

+2HCO3-〈==〉MgCO3↓+CO2↑+H2O

5）生物化学作用：指有细菌参与的一些氧化﹑还原作用硫酸化反应：2H2S+O2=2H2O+S2，S2+3O2+2H2O=4H++2SO42-脱硫酸反应：SO42-+2C+2H2O=H2S+2HCO3-6）混合作用化学成分不同的地下水相遇混合后，经过一系列的化学反应，生成化学成份与原来都不同的地下水的作用称为混合作用。（SO42-+2Na+）+（Ca2++2HCO3-）+2H2O=2Na++2HCO3-+CaSO4·2H2O↓7）人为作用若降水措施(抽水井滤网和砂滤层的设计不合理或施工质量差、在井周围形成漏斗状的弯曲水面——降水漏斗)不当，会使周围地基土层产生固结沉降，轻者造成邻近建筑物或地下管线的不均匀沉降；重者使建筑物基础下的土体颗粒流失，甚至掏空，导致建筑物开裂和危及安全使用。5.4地下水对工程建设的影响

1．地下水位下降引起软土地基沉降2．动水压力产生流砂和潜蚀流砂：饱水砂土因结构破坏而液化，砂土颗粒悬浮于水中流出。潜蚀：地下水将土层中细小颗粒带走，形成管状空洞。ΔH=H1一H2ΔF＝F1—F2＝γw[(H1—Z1)—(H2—Z2)]ΔS＝γw[(H1

—

H2)+(Z2

—Z1)]ΔSΔH＝0时，沿渗流方向作用于土体微段上水压力的合力ΔF

0为：ΔF

0＝γw(Z1

—Z2)ΔS实际上ΔF

0就是作用于与土体微段同体积的水上的重力在渗流方向上的分力。所以，地下水在渗流时，作用于土体微段上动水压力的合力ΔFw为：

ΔFw＝ΔF

—ΔF

0＝γw(H1

—

H2)ΔS

我们把地下水在渗流时作用于单位体积土骨架(土颗粒)上的力称为动水压力fd，即：水力梯度I当动水压力fd等于土体的有效容度时，即：土颗粒之间的有效应力为0，土粒处于悬浮状态，这种现象称为流砂。出现流砂时的I称之为临界水力坡度如果或者将产生流砂流砂是一种不良的工程地质现象，按其严重程度可分为下列三种；(1)轻微流砂：当基坑围护桩排间隙处隔水措施不当或施工质量欠缺时，或当地下连续墙接头的施工质量不佳时，有些细小的土颗粒会随着地下水渗漏一起穿过缝隙而流入基坑，增加坑底的泥泞程度。(2)中等流砂：在基坑底部，尤其是靠近围护桩墙的地方，常常会出现一堆粉细砂缓缓冒起，仔细观察，可以看到粉细砂堆中形成许多小小的排水沟，冒出的水夹带着细小土粒在慢慢地流动。(3)严重流砂：基坑开挖时如发生上述现象而仍然继续往下开挖，流砂的冒出速度会迅速增加，有时会象开水初沸时的翻泡，此时基坑底部成为流动状态，给施工带来很大困难，甚至影响邻近建筑物的安全。如果在沉井施工中，产生严重流砂，那么沉井就突然下沉，无法用人力控制，以致沉井发生倾斜，甚至发生重大事故。处理方法3.地下水的浮托作用当建筑物基础底面位于地下水位以下时，地下水对基础底面产生静水压力，即产生浮托力。1.如果基础位于粉土、砂土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基上，则按地下水位100％计算浮托力；2.如果基础位于节理裂隙不发育的岩石地基上，则按地下水位50％计算浮托力；3.如果基础位于粘性土地基上；其浮托力较难确切地确定，应结合地区的实际经验考虑。4.承压水对基坑的作用

当深基坑下部有承压含水层时，必须分析承压水头是否会冲毁基坑底部的粘性土层，通常用压力平衡概念进行验算，即：

γ

M＝γw

H

所以，基坑底部粘性土层的厚度必须满足下式，5.地下水对钢筋混凝土的腐蚀是指地下水中的一些化学成分与混凝土结构中的某些化学物质发生化学反应，在混凝土内形成新的化合物，使混凝土体积膨胀，开裂破坏，或者溶解混凝土中的某些物质，使其结构破坏，强度降低的现象。常见的地下水的侵蚀作用有以下几种：凝分解类腐蚀（4）一般酸性侵蚀：反应平衡时，叫平衡CO2；反应超过平衡时，叫侵蚀性CO2。结晶类腐蚀结晶分解类腐蚀2．腐蚀性评价标准根据各种化学腐蚀所引起的破坏作用，1）结晶类腐蚀性的评价指标:SO42-的含量；2）分解类腐蚀性的评价指标:侵蚀性CO2、HCO3-和pH值；3）结晶分解类腐蚀性的评价指标:Mg2+、NH4+、Cl-、SO42-、NO3-的含量。分为：无腐蚀性、弱侵蚀性、中侵蚀性、强侵蚀性同时，在评价地下水对建筑结构材料的腐蚀性时必须结合建筑场地所属的环境类别。习题十一、单选题1.岩、土孔隙和裂隙中能够容纳一定数量水体的性能叫做()

A.持水性B.给水性C.容水性D.透水性2.吸附在岩,土颗粒表面,不受重力影响的地下水叫做()

A.重力水B.毛细水C.汽态水D.结合水3.地下水中所含各种离子,分子,化合物的总量叫做()

A.矿化度B.总硬度C.暂时硬度D.永久硬度4.饱水带是指()

A.毛细水带B.毛细水带和重力水带C.重力水带D.汽态水,吸附水,薄膜水带5.容水度等于()

A.持水度加给水度B.持水度加透水度C.给水度加透水度D.给水度减持水度6.地下水对混凝土的溶出性浸