地下水的地质作用-地下水的类型及其特征（工程地质课件）

地下水的地质作用与工程地质问题地下水的地质作用与工程地质问题地下水的地质作用渗透变形地下水对混凝土的侵蚀地下水的地质作用包括剥蚀、搬运和沉积三方面①地下水对围岩的剥蚀作用一般称为地下水的潜蚀作用，分为机械潜蚀和化学潜蚀两种方式。机械剥蚀一般很弱，只有在规模较大洞穴和裂隙中地下水流速较快，冲刷力较强。化学潜蚀是地下水主要剥蚀方式，又称岩溶作用。地下水的地质作用②搬运作用有机械搬运和化学搬运两种。大多数情况机械搬运能力弱，以化学搬运为主；只有在溶洞地下河中较大水量时，机械搬运能力较大。化学搬运包括真溶液及胶体溶液两种，搬运的成分和数量取决于渗流区岩石性质和风化程度，搬运能力与水温、压力、运移速度、PH值及CO2含量有关。地下水的地质作用③沉积作用包括机械沉积和化学沉积，以化学沉积作用为主。化学沉积作用是指地下水中所溶解的物质因压力、水分蒸发、CO2逸出等原因，离子过饱和而结晶沉积常见的化学沉积物有以下几类：溶洞沉积、温泉沉积、空隙和裂隙沉积物、置换沉积。渗透变形渗透变形可以划分为潜蚀和流土两种基本形式。①渗流作用下单个土颗粒发生独立移动的现象称潜蚀。发生在不均匀砂层或砂卵石层中，细粒物质从粗粒骨架孔隙中被渗流携走，土层的孔隙度增大，强度降低，甚至造成地面塌陷。自然条件和工程活动中均会发生，工程活动中发生的潜蚀称管涌。渗透变形②渗流作用下一定体积的土体同时发生移动的现象，称流土或流沙。一般发生在均质砂土层或粉土中，可使土体完全丧失强度，其危害性较管涌大。一般在工程场地中发生，在饱水粉、细砂土和粉土中开挖基坑或地下巷道掘进时易发生。潜蚀和流土是可以转化的，潜蚀的发展、演化，往往可以转化为流土。渗透变形防治渗透变形通常采用三方面措施：改变渗流动力条件、保护渗流出口、改善土石性质，可根据工程类别和具体地质条件选择。①建筑物基坑开挖遇流沙时，主要采取人工降低潜水位的办法，使潜水位低于基坑底板。这种措施既防治了流沙又免除地下水涌入基坑。也可采用板桩防护墙施工。渗透变形②水平巷道、竖井开挖遇流沙可采用特殊施工方法，如水平巷道采用盾构法，竖井采用沉井式支护进。采用冻结法或电动硅化法等改善砂土性质可使施工顺利进行。③汲水井防止管涌的主要措施是在过滤管与井壁间隙内充填反滤料保护渗流出口④土石坝防治的主要措施有垂直截渗、水平铺盖、排水减压和反滤盖重四项。地下水对混凝土的侵蚀地下水的对混凝土的侵蚀是指地下水中的一些化学成分与混凝土结构物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。地下水对混凝土的侵蚀①氧化侵蚀：地下水中含有较多氧气时，会对结构物中的钢筋等铁金属材料腐蚀4Fe+3O2=2Fe2O3Fe2O3+3H2O=2Fe(OH)3（胶体状态）②酸性侵蚀：当地下水呈酸性时，氢离子会对混凝土表面的碳酸钙硬层产生溶蚀CaCO3+H+=Ca2++HCO3-地下水对混凝土的侵蚀③碳酸类侵蚀：当水中富含CO2时，会对混凝土中的氢氧化钙产生溶蚀。Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O,CaCO3+H2O+CO2=Ca2++2HCO3-④硫酸类侵蚀：地下水中SO42-与混凝土中的Ca(OH)2反应生成CaSO4，使混凝土体积明显增大，降低了混凝土的强度，严重时还会造成混凝土的开裂破坏。地下水对混凝土的侵蚀⑤镁盐侵蚀：富含MgCl的地下水与混凝土中的Ca(OH)2反应，生成Mg(OH)2和溶于水的CaCl，使混凝土中的钙质流失，结构破坏，强度降低。实际的侵蚀过程常常是几种侵蚀作用同时存在，极大地削弱了混凝土的强度和完好性。地下水对混凝土的侵蚀对于地下水侵蚀严重的施工地段，在加强混凝土自身耐腐蚀能力的同时，可以通过采用堵、排、截相结合的方法，实行防排水，以达到使得地下水对混凝土不构成侵蚀的目的。小结地下水的地质作用：以化学方式为主。渗透变形包括潜蚀和流土两种基本形式，不同工程采用不同的措施防止渗透变形。需要分析地下水对混凝土的侵蚀情况，对侵蚀严重的施工地段，要采取合理措施使得地下水对混凝土不构成侵蚀。各类地下水的特征各类地下水的特征上层滞水的特征潜水的特征承压水的特征孔隙水的特征裂隙水的特征上层滞水的特征①主要靠大气降水和地表水下渗补给，以蒸发或逐渐向下渗透到潜水中方式排泄。②季节性明显，雨季水量增加，干旱季节减少甚至重力上层滞水完全消失。③分布区与补给区一致。④对农作物和植物有重要作用；供水角度意义不大；工程地质病害的重要因素。潜水的特征潜水埋藏深度(T)含水层厚度或潜水层厚度(H0)，潜水位（H）潜水的特征可解决如下问题：

确定潜水流向

确定水力坡度

确定埋藏深度

确定潜水与地表水的关系虚线－潜水等水位线实线－地形等高线潜水等水位线图潜水的特征潜水与地表水的关系潜水的特征①径流和排泄受含水岩土层性质、潜水面水力坡度、地形切割程度及气候条件影响。岩土透水性好，潜水面水力坡度大，地面被沟谷切割得深，则潜水径流条件好。山区和河流中上游地区以水平排泄为主，平原和河流下游地区以垂直排泄为主。干旱气候区一般无径流，潮湿气候区径流条件好，下渗补给，水平排泄。潜水的特征②水质和水量是潜水的补给、径流和排泄方式的综合反映。补给来源丰富、径流条件好、以水平排泄为主的潜水，一般水量较大，水质较好；反之，水量小，水质差。有时引起包气带土壤的盐渍化。应注意研究潜水水质、水量随时间的变化，许多与潜水有关的工程病害，都是在显著的潜水动态变化之后不久发生的。承压水的特征承压盆地与承压斜地承压水的特征自流盆地可分为补给区、承压区和排泄区三部分。补给区的地下水来自大气降水下渗或地表水补给潜水；承压区分布在自流盆地中央部分，该区含水层全部被隔水层覆盖，地下水具有一定压力，当钻孔打穿隔水层顶板后，水便沿钻孔上升；排泄区多分布在盆地边缘地势较低的地方，在这里承压水或补给潜水或补给地表水。承压水的特征A－补给区B－承压区C－排泄区承压水的特征H1－初见水位H2－承压水位H－承压水头h－承压水位埋深

承压水的特征含水层分布范围愈广、厚度愈大、透水性愈好，补给区面积大、补给来源充足，涌水量就大。同时，由于承压水上有隔水顶板，基本上不受承压区地表气候、水文因素影响，不易被污染，且径流途程较长，故水质较好。由于补给来源多、面积大，故承压水水量，水质均较稳定，其动态变化比潜水小。孔隙水的特征孔隙含水层多为松散沉积物，少数孔隙度较高、孔隙较大的基岩。根据埋藏条件的不同，可以有孔隙—上层滞水，孔隙—潜水和孔隙—承压水三种基本类型，孔隙—潜水最为常见。岩土颗粒粗大而均匀，孔隙较大、透水性好，孔隙水水量大、流速快、水质好。胶结情况对孔隙水也有较大影响。裂隙水的特征裂隙有风化的、成岩的及构造的三大类，因而裂隙水就分为风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水三种。风化裂隙水常埋藏于地表浅处，含水层厚度不大，水平方向透水性均匀，垂直方向随深度增大而减弱，逐渐过渡到不透水的未风化岩石。裂隙水的特征成岩裂隙水多具层状分布特点，当富含成岩裂隙的岩层出露地表，接受大气降水或地表水补给时，则形成裂隙—潜水型地下水；当富含成岩裂隙的岩层被隔水层覆盖时，则形成裂隙—承压水类型地下水。裂隙水的特征构造裂隙水有下述脉状、带状、层状三种分布特征。①脉状分布的构造裂隙水多存在于坚硬岩石张开裂隙中，特点是裂隙分布不均匀，连通性差，裂隙水各有自己独立的补径排系统，不能形成统一的水位，水量较小，有的是潜水型，有的是承压水型。裂隙水的特征②带状分布的构造裂隙水分布于断裂破碎带中，一般受大气降水及地表水补给，在一定范围内有统一的补给源及排泄通道，水量大、延伸远、水位一致，由于断裂破碎带均有一定的倾斜角度，故地表浅处为潜水型，地下深处则为承压水型裂隙水的特征③层状分布的构造裂隙水主要分布在软硬互层的坚硬岩石中，因为构造运动常使软岩变形而不破裂，而使硬岩形成构造裂隙，例如砂、页岩互层地带，常在砂岩中形成层状构造裂隙水，而页岩成为隔水层，故这种地下水多属裂隙—承压水型。小结上层滞水的特征潜水的特征承压水的特征孔隙水的特征裂隙水的特征地下水的存在状态与综合分类

地下水的存在状态与综合分类地下水的存在状态地下水的综合分类地下水的存在状态根据水与岩土颗粒间的相互关系，地下水可以有气态水、吸着水、薄膜水、毛细水、重力水和固态水六种状态。

①气态水即水蒸汽，和空气一起充满在岩土的孔隙、裂隙中。气态水活动性强，由压力大的地方向压力小的地方移动。在温度降低或湿度增大凝结变成液态水。地下水的存在状态②吸着水(强结合水)：岩土中的气态水分子被分子引力吸附到岩土颗粒表面，形成吸着水。吸着水不受重力影响，一般情况下不能移动。③薄膜水(弱结合水)：在吸着水膜以外吸附更多的水分子成为几个水分子直径到几百个水分子直径厚的水膜，称为薄膜水。薄膜水仍不能在重力作用下自由流动。地下水的存在状态岩土中水的存在状态地下水的存在状态④毛细水(非结合水)：存在于岩土毛细孔隙和毛细裂隙中的水称毛细水。毛细水受重力作用能垂直运动，可以传递静水压力，能被植物吸收，对于土的盐渍化，冻胀等有重大影响。地下水的存在状态⑤重力水(非结合水)：当薄膜水厚度逐渐增大，颗粒与水分子间的引力愈来愈小，以致水分子不再受这种引力控制的时候，这些水分子形成液态水滴，在重力作用下向下移动，形成重力水。重力水在重力作用下可以在岩土孔隙、裂隙中自由流动，又称自由水。重力水是构成地下水的主要部分，通常所说地下水就指重力水。地下水的存在状态⑥固态水：主要是指岩土孔隙、裂隙中的冰。当温度低于0℃时，液态水变为固态冰；温度高于0℃时，固态冰又变为液态水。地下水的存在状态水的分带性

图3-7-1饱气带和饱水带分布图地下水面以下是自由流动的重力水，称为饱水带。地下水面以上直到地表统称为包气带，岩土孔隙、裂隙并没有完全被水充满，含有与大气圈相连的空气。地下水的综合分类地下水的综合分类孔隙水裂隙水岩溶水上层滞水包气带中局部隔水层上的水、土壤水等基岩风化壳中各种季节性存在的水岩溶区垂直渗入带中的水潜水坡积、洪积、冲积，湖积物中的水，沙漠和滨海砂丘中的水等基岩上部裂隙中的水或岩层层间裂隙中的无压水裸露岩溶化岩层中的无压水承压水疏松岩土构成的自流盆地、自流斜地中的水构造盆地和单斜基岩中的裂隙承压水，构造断裂带及不规则裂隙中的深部水构造盆地和单斜岩溶化岩层中的承压水地下水的综合分类按照埋藏条件的不同，地下水分为上层滞水、潜水、承压水。地下水的综合分类①上层滞水埋藏在地面以下包气带中，可分为非重力水和重力水两种，非重力水主要指吸着水、薄膜水和毛细水，又称为土壤水；重力水则指包气带中局部隔水层以上的水。②潜水埋藏在地面以下、第一个稳定隔水层以上的重力水。潜水有一个无压的自由水面，称作潜水面。地下水的综合分类③埋藏并充满在两个隔水层之间的地下水，是一种有压重力水，称承压水。上隔水层称承压水的顶板，下隔水层称底板。由于承压水承受压力，当由地面向下钻孔或挖井打穿顶板时，这种水能沿钻孔或井上升，若水压力较大时，甚至能喷出地表形成自流，因此也称自流水。地下水的综合分类按含水层性质的不同，地下水分为孔隙水、裂隙水、岩溶水三种。孔隙水：在孔隙含水层中储存和运动的地下水。裂隙水：在裂隙含水层中储存和运动的地下水。岩溶水：埋藏在可溶岩裂隙、溶洞及暗河中的地下水。小结根据水与岩土颗粒间的相互关系，地下水可以有气态水、吸着水、薄膜水、（毛细水）、（重力水）和固态水六种状态。地下水的综合分类：按照埋藏条件分为上层滞水、潜水、承压水三种，按含水层性质的不同分为孔隙水、裂隙水、岩溶水三种。地下水的地质作用地下水的存在状态与综合分类

地下水的存在状态与综合分类地下水的存在状态地下水的综合分类地下水的存在状态根据水与岩土颗粒间的相互关系，地下水可以有气态水、吸着水、薄膜水、毛细水、重力水和固态水六种状态。

①气态水即水蒸汽，和空气一起充满在岩土的孔隙、裂隙中。气态水活动性强，由压力大的地方向压力小的地方移动。在温度降低或湿度增大凝结变成液态水。地下水的存在状态②吸着水(强结合水)：岩土中的气态水分子被分子引力吸附到岩土颗粒表面，形成吸着水。吸着水不受重力影响，一般情况下不能移动。③薄膜水(弱结合水)：在吸着水膜以外吸附更多的水分子成为几个水分子直径到几百个水分子直径厚的水膜，称为薄膜水。薄膜水仍不能在重力作用下自由流动。地下水的存在状态岩土中水的存在状态地下水的存在状态④毛细水(非结合水)：存在于岩土毛细孔隙和毛细裂隙中的水称毛细水。毛细水受重力作用能垂直运动，可以传递静水压力，能被植物吸收，对于土的盐渍化，冻胀等有重大影响。地下水的存在状态⑤重力水(非结合水)：当薄膜水厚度逐渐增大，颗粒与水分子间的引力愈来愈小，以致水分子不再受这种引力控制的时候，这些水分子形成液态水滴，在重力作用下向下移动，形成重力水。重力水在重力作用下可以在岩土孔隙、裂隙中自由流动，又称自由水。重力水是构成地下水的主要部分，通常所说地下水就指重力水。地下水的存在状态⑥固态水：主要是指岩土孔隙、裂隙中的冰。当温度低于0℃时，液态水变为固态冰；温度高于0℃时，固态冰又变为液态水。地下水的存在状态水的分带性

图3-7-1饱气带和饱水带分布图地下水面以下是自由流动的重力水，称为饱水带。地下水面以上直到地表统称为包气带，岩土孔隙、裂隙并没有完全被水充满，含有与大气圈相连的空气。地下水的综合分类地下水的综合分类孔隙水裂隙水岩溶水上层滞水包气带中局部隔水层上的水、土壤水等基岩风化壳中各种季节性存在的水岩溶区垂直渗入带中的水潜水坡积、洪积、冲积，湖积物中的水，沙漠和滨海砂丘中的水等基岩上部裂隙中的水或岩层层间裂隙中的无压水裸露岩溶化岩层中的无压水承压水疏松岩土构成的自流盆地、自流斜地中的水构造盆地和单斜基岩中的裂隙承压水，构造断裂带及不规则裂隙中的深部水构造盆地和单斜岩溶化岩层中的承压水地下水的综合分类按照埋藏条件的不同，地下水分为上层滞水、潜水、承压水。地下水的综合分类①上层滞水埋藏在地面以下包气带中，可分为非重力水和重力水两种，非重力水主要指吸着水、薄膜水和毛细水，又称为土壤水；重力水则指包气带中局部隔水层以上的水。②潜水埋藏在地面以下、第一个稳定隔水层以上的重力水。潜水有一个无压的自由水面，称作潜水面。地下水的综合分类③埋藏并充满在两个隔水层之间的地下水，是一种有压重力水，称承压水。上隔水层称承压水的顶板，下隔水层称底板。由于承压水承受压力，当由地面向下钻孔或挖井打穿顶板时，这种水能沿钻孔或井上升，若水压力较大时，甚至能喷出地表形成自流，因此也称自流水。地下水的综合分类按含水层性质的不同，地下水分为孔隙水、裂隙水、岩溶水三种。孔隙水：在孔隙含水层中储存和运动的地下水。裂隙水：在裂隙含水层中储存和运动的地下水。岩溶水：埋藏在可溶岩裂隙、溶洞及暗河中的地下水。小结根据水与岩土颗粒间的相互关系，地下水可以有气态水、吸着水、薄膜水、（毛细水）、（重力水）和固态水六种状态。地下水的综合分类：按照埋藏条件分为上层滞水、潜水、承压水三种，按含水层性质的不同分为孔隙水、裂隙水、岩溶水三种。各类地下水的特征各类地下水的特征上层滞水的特征潜水的特征承压水的特征孔隙水的特征裂隙水的特征上层滞水的特征①主要靠大气降水和地表水下渗补给，以蒸发或逐渐向下渗透到潜水中方式排泄。②季节性明显，雨季水量增加，干旱季节减少甚至重力上层滞水完全消失。③分布区与补给区一致。④对农作物和植物有重要作用；供水角度意义不大；工程地质病害的重要因素。潜水的特征潜水埋藏深度(T)含水层厚度或潜水层厚度(H0)，潜水位（H）潜水的特征可解决如下问题：

确定潜水流向

确定水力坡度

确定埋藏深度

确定潜水与地表水的关系虚线－潜水等水位线实线－地形等高线潜水等水位线图潜水的特征潜水与地表水的关系潜水的特征①径流和排泄受含水岩土层性质、潜水面水力坡度、地形切割程度及气候条件影响。岩土透水性好，潜水面水力坡度大，地面被沟谷切割得深，则潜水径流条件好。山区和河流中上游地区以水平排泄为主，平原和河流下游地区以垂直排泄为主。干旱气候区一般无径流，潮湿气候区径流条件好，下渗补给，水平排泄。潜水的特征②水质和水量是潜水的补给、径流和排泄方式的综合反映。补给来源丰富、径流条件好、以水平排泄为主的潜水，一般水量较大，水质较好；反之，水量小，水质差。有时引起包气带土壤的盐渍化。应注意研究潜水水质、水量随时间的变化，许多与潜水有关的工程病害，都是在显著的潜水动态变化之后不久发生的。承压水的特征承压盆地与承压斜地承压水的特征自流盆地可分为补给区、承压区和排泄区三部分。补给区的地下水来自大气降水下渗或地表水补给潜水；承压区分布在自流盆地中央部分，该区含水层全部被隔水层覆盖，地下水具有一定压力，当钻孔打穿隔水层顶板后，水便沿钻孔上升；排泄区多分布在盆地边缘地势较低的地方，在这里承压水或补给潜水或补给地表水。承压水的特征A－补给区B－承压区C－排泄区承压水的特征H1－初见水位H2－承压水位H－承压水头h－承压水位埋深

承压水的特征含水层分布范围愈广、厚度愈大、透水性愈好，补给区面积大、补给来源充足，涌水量就大。同时，由于承压水上有隔水顶板，基本上不受承压区地表气候、水文因素影响，不易被污染，且径流途程较长，故水质较好。由于补给来源多、面积大，故承压水水量，水质均较稳定，其动态变化比潜水小。孔隙水的特征孔隙含水层多为松散沉积物，少数孔隙度较高、孔隙较大的基岩。根据埋藏条件的不同，可以有孔隙—上层滞水，孔隙—潜水和孔隙—承压水三种基本类型，孔隙—潜水最为常见。岩土颗粒粗大而均匀，孔隙较大、透水性好，孔隙水水量大、流速快、水质好。胶结情况对孔隙水也有较大影响。裂隙水的特征裂隙有风化的、成岩的及构造的三大类，因而裂隙水就分为风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水三种。风化裂隙水常埋藏于地表浅处，含水层厚度不大，水平方向透水性均匀，垂直方向随深度增大而减弱，逐渐过渡到不透水的未风化岩石。裂隙水的特征成岩裂隙水多具层状分布特点，当富含成岩裂隙的岩层出露地表，接受大气降水或地表水补给时，则形成裂隙—潜水型地下水；当富含成岩裂隙的岩层被隔水层覆盖时，则形成裂隙—承压水类型地下水。裂隙水的特征构造裂隙水有下述脉状、带状、层状三种分布特征。①脉状分布的构造裂隙水多存在于坚硬岩石张开裂隙中，特点是裂隙分布不均匀，连通性差，裂隙水各有自己独立的补径排系统，不能形成统一的水位，水量较小，有的是潜水型，有的是承压水型。裂隙水的特征②带状分布的构造裂隙水分布于断裂破碎带中，一般受大气降水及地表水补给，在一定范围内有统一的补给源及排泄通道，水量大、延伸远、水位一致，由于断裂破碎带均有一定的倾斜角度，故地表浅处为潜水型，地下深处则为承压水型裂隙水的特征③层状分布的构造裂隙水主要分布在软硬互层的坚硬岩石中，因为构造运动常使软岩变形而不破裂，而使硬岩形成构造裂隙，例如砂、页岩互层地带，常在砂岩中形成层状构造裂隙水，而页岩成为隔水层，故这种地下水多属裂隙—承压水型。小结上层滞水的特征潜水的特征承压水的特征孔隙水的特征裂隙水的特征地下水的地质作用与工程地质问题地下水的地质作用与工程地质问题地下水的地质作用渗透变形地下水对混凝土的侵蚀地下水的地质作用包括剥蚀、搬运和沉积三方面①地下水对围岩的剥蚀作用一般称为地下水的潜蚀作用，分为机械潜蚀和化学潜蚀两种方式。机械剥蚀一般很弱，只有在规模较大洞穴和裂隙中地下水流速较快，冲刷力较强。化学潜蚀是地下水主要剥蚀方式，又称岩溶作用。地下水的地质作用②搬运作用有机械搬运和化学搬运两种。大多数情况机械搬运能力弱，以化学搬运为主；只有在溶洞地下河中较大水量时，机械搬运能力较大。化学搬运包括真溶液及胶体溶液两种，搬运的成分和数量取决于渗流区岩石性质和风化程度，搬运能力与水温、压力、运移速度、PH值及CO2含量有关。地下水的地质作用③沉积作用包括机械沉积和化学沉积，以化学沉积作用为主。化学沉积作用是指地下水中所溶解的物质因压力、水分蒸发、CO2逸出等原因，离子过饱和而结晶沉积常见的化学沉积物有以下几类：溶洞沉积、温泉沉积、空隙和裂隙沉积物、置换沉积。渗透变形渗透变形可以划分为潜蚀和流土两种基本形式。①渗流作用下单个土颗粒发生独立移动的现象称潜蚀。发生在不均匀砂层或砂卵石层中，细粒物质从粗粒骨架孔隙中被渗流携走，土层的孔隙度增大，强度降低，甚至造成地面塌陷。自然条件和工程活动中均会发生，工程活动中发生的潜蚀称管涌。渗透变形②渗流作用下一定体积的土体同时发生移动的现象，称流土或流沙。一般发生在均质砂土层或粉土中，可使土体完全丧失强度，其危害性较管涌大。一般在工程场地中发生，在饱水粉、细砂土和粉土中开挖基坑或地下巷道掘进时易发生。潜蚀和流土是可以转化的，潜蚀的发展、演化，往往可以转化为流土。渗透变形防治渗透变形通常采用三方面措施：改变渗流动力条件、保护渗流出口、改善土石性质，可根据工程类别和具体地质条件选择。①建筑物