工程地质（第4版）课件 第6章　地下水

第六章地下水

内容提要一.地下水的物理性质和化学成分二.地下水的分类和特征三.地下水的运动规律四.地下水对土木工程的影响地下水的基本概念：

地下水(groundwater)：存在于地壳岩石裂隙或土壤空隙中的水，即广泛埋藏于地表以下的各种状态的水，统称为地下水.6.6.1地下水的物理性质1.地下水的温度

地下水的温度受气候和地质条件的控制。分为过冷水（<0℃）、冷水（0-20℃）、温水（20-42℃）、热水（42-100℃）、过热水（>100℃）几种。2.地下水的颜色

决定于化学成分及悬浮物。如，含H2S的水为翠绿色；含Ca2+、Mg2+离子的水为微蓝色；含Fe2+的水为灰蓝色；含Fe3+的水为褐黄色；含有机腐植质时为灰暗色。含悬浮物的水，其颜色决定于悬浮物。6.1地下水的物理性质和化学成分(3)透明度

地下水多半是透明的。当水中含有矿物质、机械混合物、有机质及胶体时，地下水的透明度就改变。可分为透明的、微浑的、浑浊的、极浑浊的几种。

(4)气味地下水一般无味，但当其中含有一些特定成分时，具有一定的气味。如含腐植质时，具“沼泽”味；含硫化氢时具有臭鸡蛋味。(5)味道

地下水味道主要取决于地下水的化学成分。含NaCl的水有咸味；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。6.1地下水的物理性质和化学成分6.1.2地下水的化学成分

地下水中含有各种气体，离子，胶体物质及有机物质等.自然界中存在的元素，绝大多数已经在地下水中发现.1.地下水中主要气体成分

O2、N2、H2S、及CO2等。一般情况下，地下水中气体含量不高，每公升水中只有几毫克到几十毫克。2.地下水中主要离子成分地下水中分布最广、含量较多的离子共七种，即：氯离子、硫酸根离子、重碳酸根离子、钠离子、钾离子、钙离子及镁离子。3.地下水中主要离子成分

SiO2Fe(OH)3Al(OH)3

6.1地下水的物理性质和化学成分

地下水的分类有两种：一种是根据地下水的某种单一的因素或某一种特征进行分类，如按硬度分类、按地下水起源分类等；另一种是根据地下水的若干特征综合考虑进行分类，如按地下水埋藏条件分类。6.2地下水的分类及特征2024/2/3土中的水矿物中的结合水土孔隙中的水结构水结晶水沸石水结合水非结合水强结合水弱结合水（土粒表面结合水）液态水气态水（水蒸气）固态水（冰）毛细水（过渡类型水）重力水6.2地下水的分类及特征6.2.1地下水按起源的分类

渗入水凝结水-绝对湿度饱和湿度埋藏水岩浆水6.2地下水的分类及特征6.2.2地下水按埋藏条件和含水性质分类1.按地下水埋藏条件分类

分为包气带水、潜水和承压水.2.按含水层的性质分类分为孔隙水、裂隙水、岩溶水（喀斯特水）6.2地下水的分类及特征Porewater（孔隙水）Fracturewater（裂隙水）地下水孔隙水裂隙水岩溶水（喀斯特水）包气带水土壤水及季节性的局部隔水层以上的重力水裂隙岩层中局部隔水层上部季节性存在的水可溶岩层中季节性存在的悬挂水潜水各种成因类型的松散沉积物中的水裸露于地表的裂隙岩层中的水裸露的可溶岩层中的水承压水由松散沉积物构成的山间盆地、山间平原及平原中的深层水构造盆地、向斜或单斜构造中层状裂隙岩层中的水、构造破碎带中的水、独立裂隙系统中的脉状水构造盆地、向斜或单斜构造的可溶岩层中的水表6.2.1地下水分类表6.2地下水的分类及特征6.2.3各类地下水的特征（1）包气带水

是指埋藏在包气带中的地下水。包气带意指岩石空隙未被地下水充满的地带。分为土壤水、上层滞水和毛细水.

上层滞水一般特点：分布范围小，厚度小，水量少；大气降水或凝结水补给；以蒸发或沿隔水层外缘外泄；动态不稳，季节性变化大；易污染.

包气带中的地下水以吸着水、薄膜水、毛细水为主，而重力水较少。包气带水主要作垂直方向上的运动，如重力水常由上向下运动、毛细水由下向上运动。6.2地下水的分类及特征图6.2.1潜水、承压水和上层滞水6.2地下水的分类及特征毛细带水潜水上层滞水潜水面隔水底板潜水含水层厚度潜水埋藏深度土壤水6.2地下水的分类及特征(2)潜水a.概念

潜水是埋藏在饱水带中地表以下第一个具有自由水面的含水层中的重力水，也称饱水带水。其自由表面称潜水面。

特点：a.赋存方式（有底无顶）；b.补给方式（大气﹑江河）；c.排泄方式；d.稳定性；e.易污染

饱水带水与包气带水的分界面就是潜水面，如水井水面、泉水面。潜水面不是一个平面，而是一个凹凸不平的起伏面，常随地形的起伏而相应起伏。潜水在重力的作用下一般从高处往低处流，以近水平方向流动为主。6.2地下水的分类及特征地下水的运动方向潜水面6.2地下水的分类及特征b.潜水面的形状及其影响因素

潜水面的形状

潜水面的形态6.2

地下水的分类及特征潜水面形态的变化规律受地形和河流位置的影响受底板隔水层高度变化的影响受含水介质渗透性变化的影响6.2地下水的分类及特征地形对潜水面的影响6.2地下水的分类及特征c.潜水的补给、排泄6.2地下水的分类及特征d.潜水面的表示方法ⅰ)剖面图法：绘制水文地质剖面图。(ⅱ)等水位线图法：绘制等水位线。根据等水位线图可以确定：潜水流向、潜水水力坡度、潜水与河水的补排关系、潜水含水层厚度、潜水埋藏深度、地下水取水工程位置以及推断含水层岩性或厚度的变化。6.2地下水的分类及特征6.2地下水的分类及特征(2)承压水a.概念

是指埋藏在两个稳定隔水层之间的含水层中具有静水压力的重力水，故又称无压层间水。在适宜的地形条件下，当钻孔打到含水层时，水便喷出地表，形成自喷水流，故又称为自流水.

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；e.承压水形成的有利构造：（山有多高，水有多高）向斜﹑单斜。

承压水受两隔水层所限，位置低的水体受位置高的水体的静压力，这种压力常称水头压力。承压水的运动一般为从补给区流向排泄区。6.2地下水的分类及特征隔水层承压水湖隔水层潜水承压井自流井潜水井6.2地下水的分类及特征b.承压水的蓄水构造

是指能够储存地下水的地质构造，即含水层与隔水层相互组合而形成的储存地下水的地质环境.承压水蓄水构造分为三个组成部分，即补给区、承压区、排泄区.6.2地下水的分类及特征c.承压水的补给、径流和排泄

(ⅰ)承压水接受降水或地表水体补给。补给的强弱取决于补给区分布范围、岩石透水性、降水特征、地表水流量等因素。

(ⅱ)承压水的排泄有如下形式：泉水、补给地表水或潜水。

(ⅲ)承压水的径流条件决定于地形、含水层透水性、地质构造及补给区与排泄区的承压水位差。d.承压水面的特征

承压水面即承压水的水压面，简称水压面。与潜水面不同，而承压水面不是一实际存在的面。承压水面的表示方法:等水压线图，即测压水位标高相同点的连线。6.2地下水的分类及特征6.2

地下水的分类及特征潜水与承压水的比较潜水承压水定义埋藏在第一个隔水层之上的地下水埋藏在上下两个隔水层之间，承受一定压力的地下水补给大气降水和地表水潜水排出蒸发，出露为泉转化为潜水，出露为泉主要特征①有自由水面②水从高处向低处渗流③水量不稳定④埋藏较浅、水质易受污染①有承压水面，承受压力②水的运动取决于压力大小，可从低处向高处渗流③水量较稳定④埋藏较深、水质不易受污染

广义角度讲，地下水的运动包括包气带水的运动和饱水带水的运动两大类.

渗流:地下水在岩土空隙中的运动,也称为渗透。

层流运动：在岩土空隙中渗流时，水质点的有秩序的，互不混杂的流动。

紊流运动：水的质点无秩序的，互相混杂的流动。作紊流运动时，水流所受阻力比层流状态大，消耗的能量较多。在宽大的空隙中，水的流速度较大时，容易呈紊流运动。6.3

地下水的运动规律6.3地下水的运动规律6.3.1达西定律－线性渗透定律

1856年，法国水力学家达西通过大量的实验，得到地下水线性渗透定律，即达西定律：式中Q——单位时间内的渗透流量(出口处流一即为通过砂柱各断面的流量),m3/d;

A——过水断面面积,m2

H1——上游过水断面的水头,m;

H2——下游过水断面的水头,m;

L——渗透途径（上下游过水断面的距离），m；

i——水力坡度（即水头差除以渗透途径）；

k——渗透系数，m/d。(6.3.1)(6.3.2)6.3地下水的运动规律图6.3.1水力坡度含义图

根据水力学：通过某一断面的流量Ｑ等于流速v与过水断面Ａ的乘积，即：

则达西定律又可以表达为另一种形式，即(6.3.3)(6.3.4)

式中：v-渗流流速，m/d.渗透系数粘性土：渗透速度(m/d)

初始水力坡度砂土：6.3地下水的运动规律6.4地下水对土木工程的影响对土木工程不良影响的地下水包括毛细水和重力水.6.4.1毛细水对土木工程的影响毛细水主要存在于直径为0.5~0.002mm大小的孔隙中。毛细水对土木工程的影响主要有：1.产生毛细压力:对于砂性土特别是细砂、粉砂，由于毛细压力作用使砂性土具有一定的粘聚力（称假粘聚力）。2.影响土中气体的分布与流通，常常是导致产生封闭气体的原因。封闭气体可以增加土的弹性和减小土的渗透性。3.当地下水位埋深较浅时，由于毛细水上升，可以助长地基土的冻融现象6.4地下水对土木工程的影响6.4.2重力水（自由水）对土木工程的影响1.潜水位上升引起的岩土工程问题(1)潜水位上升后，由于毛细水作用可能导致土壤次生沼泽化、盐渍化，改变岩土体物理力学性质，增强岩土和地下水对建筑材料的腐蚀。在寒冷地区，可助长岩土体的冻胀破坏；(2)潜水位上升，原来干燥的的岩土被水饱和、软化，降低岩土抗剪强度，可能诱发斜坡、岸边岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象；(3)崩解性岩土。湿陷性黄土、盐渍岩土等遇水后，可能产生崩解、湿陷、软化，其岩土结构破坏，强度降低，压缩性增大。而膨胀性岩土遇水后则产生膨胀破坏；(4)潜水位上升，可能使洞室淹没，还可能使建筑物基础上浮，危及安全。6.4地下水对土木工程的影响2.地下水位下降引起的岩土工程问题

(1)地表塌陷(2)地面沉降(3)海（咸）水入侵(4)地裂缝的产生与复活(5)诱发不良地质现象(6）地下水源枯竭、水质恶化6.4地下水对土木工程的影响3.地下水的渗透破坏(1)潜蚀渗透水流在一定水力坡度条件下产生较大的动水压力冲刷、挟走细小颗料或溶蚀岩土体，使岩土体中孔隙不断增大，甚至形成洞穴，导致岩土体结构松动或破坏，以致产生地表裂隙、塌陷、影响工程的稳定。

6.4地下水对土木工程的影响产生的条件:（1）岩土性质：潜蚀一般是在颗粒大小极不均匀的岩土中发生的。（2）水动力条件：潜蚀的发生必须具有较大的水头梯度，这种水头梯度又是由水动力条件来决定的。（3）具有释放潜蚀颗粒的空间防治措施:(1)降低水力坡度(2)反滤层6.4地下水对土木工程的影响(2)流砂流砂得指松散细少颗粒土被地下水饱和后，在动水压力即水头差的作用下，产生的悬浮流动现象。6.4地下水对土木工程的影响流砂的形成条件（1）水动力条件：地下水动水压力必须大于颗粒在水中重量，才能使颗粒悬浮起来而产生流砂现象。（2）土石结构：多发生在土体较疏松，孔隙度较大的松散土中。（3）胶体颗粒：流砂层土石中是否有胶体颗粒存在是判断真、假流砂的关键因素。预防措施（1）特殊施工法：沉井，沉箱等（2）改良土质：采用冻结法，硅化法，电化学法（3）板桩加固法：在基坑四周打入板桩（4）降低土石中的地下水（5）钻探中常采用跟管钻进6.4地下水对土木工程的影响(3)管涌地基土在具有某种渗透速度的渗透水流作用下，其细小颗粒被冲走，岩土的孔隙逐渐增大，慢慢形成一种能穿越地基的细管状渗流通路，从而掏空地基或坝体，使地基或斜坡变形、失稳，此现象被称为管涌。6.4地下水对土木工程的影响基坑的流砂或管涌坝基的流砂或管涌6.4地下水对土木工程的影响6.4地下水对土木工程的影响4.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。

5.承压水对基坑的作用

6.4地下水对土木工程的影响图6.4.1基坑底粘土层最小厚度突涌现象压力平衡：γ·M=γW·H

基坑底部粘土层的厚度必须满足:

M＞γWH/γ

6.地下水对钢筋混凝土的腐蚀(1)腐蚀的类型a.结晶类腐蚀

如果地下水中SO42-离子与混凝土的Ca（OH）2起反应，生成二水石膏结晶体，这种石膏再与水化铝酸钙发生化学反应，生成水化硫铝酸钙，习惯上称为水泥杆菌。

水泥杆菌的体积约为原体积的2.2倍。6.4地下水对土木工程的影响b.分解类腐蚀

当地下水中CO2含量超过平衡时所需的数量时，混凝土中的CaCO3就被溶解而受腐蚀，这就是分解类腐蚀。我们将超过平衡浓度的CO2叫侵蚀性CO2。地下水中侵蚀性CO2愈多，对混凝土的腐蚀愈强。c.结晶分解复合类腐蚀

当地下水中NH4+（铵根正离子）、NO3-，Cl-和Mg2+离子的含量超过一定数量时，与混凝土中的Ca（OH）2发生反应，生成Mg(OH)2CaCl2CaSO4破坏混凝土的结构。6.4地下水对土木工程的影响所以：结晶类腐蚀性的评价指标：SO42-含量分解类腐蚀性的评价指标：HCO3-含量和PH值结晶分解类腐蚀性的评价指标：NH4+（铵根正离子）、NO3-、Cl-

、SO42-、Mg2+

含量6.4地下水对土木工程的影响（２）腐蚀性评价在工程建设过程中，由于水和土往往是融合在一起的，所以，在工程场地的勘察过程中，一般将水和土对工程结构的腐蚀性评价放在一起，进行水和土对工程结构腐蚀性的综合评价。水和土对工程结构腐蚀性评价分为腐蚀性环境类别评价和局部工程环境的腐蚀性等级评价两种类型。6.4地下水对土木工程的影响工程建设项目的规模相差很大超级工程：西气东输、南水北调和杭州湾跨海大桥等，分两步：环境类别的腐蚀性评价局部场地腐蚀性评价普通工程：只需要进行局部场地的腐蚀性评价。评价标准：场地的腐蚀性环境类别分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个等级。场地的腐蚀性环境类别划分标准：表６.４.２水和土对工程结构的腐蚀性，可分为微、弱、中、强4个等级。按环境类型进行水和土对混凝土结构的腐蚀性评价的标准见表６.４.４。水和土对混凝土结构的腐蚀性评价的标准见表６.４.５。水和土对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性评价标准见表６.４.６。土对钢结构腐蚀性评价标准见表６.４.７。水样和土样的采取要求：①混凝土结构处于地下水位以上时，应取土试样做土的腐蚀性测试；②混凝土结构处于地下水或地表水中时，应取水试样做水的腐蚀性测试；③混凝土结构部分处于地下水位以上、部分处于地下水位