第5章 地下水-蒋冲

第5章地下水

5.1概述 5.2地下水的分类 5.3达西定律和渗流 5.4抽水、压水试验及水文地质参数的测试 5.5地下水的物理化学性质 5.6地下水对土木工程的影响 15.1概述

埋藏和运移在地表以下土层及岩石空隙中的水称为地下水(groundwater)。地下水分布很广，与人们的生产、生活和工程活动的关系也很密切。它一方面是饮用、灌溉和工业供水的重要水源之一，是宝贵的天然资源。另一方面，它与土石相互作用，会使土体和岩体的强度和稳定性降低，产生各种不良的自然地质现象和工程地质现象，如滑坡、岩溶、潜蚀、地基沉陷、道路冻胀和翻浆等，给工程的建筑和正常使用造成危害。本章主要介绍了地下水的分类、达西定律和渗流、抽水、压水试验及水文地质参数的测试、地下水的物理化学性质以及地下水对工程的不良影响等方面的内容。2学完本章后应掌握以下内容：（1）达西定律的原理和适用范围；（2）地下水的类型及物理化学性质；（3）抽水、压水试验及水文地质参数测试的内容与方法；（4）地下水对工程的不良影响。学习中应注意回答以下问题：（1）达西定律的原理和适用范围是什么？岩土的水理特性有哪些？（2）地下水如何进行分类？各种类型的特点是什么？地下水有哪些物理化学性质？（3）抽水、注水和压水试验的试验目的与方法是什么？（4）地下水对工程的不良影响有哪些？人工降低地下水位的方法有哪些？（5）潜蚀、管涌、流砂和基坑突涌的成因及防治措施有哪些？水库及坝区渗漏如何进行防治？35.2地下水的分类

45.2.1地下水按埋藏条件分类地下水按埋藏条件可分为包气带水、潜水和承压水。

1.包气带水位于潜水面以上未被水饱和的岩土体中的水，称为包气带水。此带称为包气带，其下称饱水带。包气带中的水主要有土壤水和上层滞水，见图7-2。5

2.潜水饱水带中第一个连续隔水层之上具有自由表面的含水层中的水称为潜水，见图7-3。

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3.承压水

1）承压水的概念

承压水是充满于两个稳定隔水层之间的含水层中具有静水压力的重力水，如未充满则称无压层间水。承压水有上下两个稳定的隔水层，上面的称为隔水顶板，下面的称为隔水底板。顶、底板之间的垂直距离为含水层的厚度(图7-4)。

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2）承压水的埋藏类型承压水的形成主要取决于地质构造。形成承压水的地质构造主要是向斜构造和单斜构造。

a.向斜构造

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b.单斜构造(自流水斜地)

95.2.2地下水按含水层空隙性质的分类地下水按含水层空隙性质(含水介质)的不同，可分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。

1.孔隙水孔隙水分布于第四系各种不同成因类型的松散沉积物中。其主要特点是水量在空间分布上相对均匀，连续性好。它一般呈层状分布，同一含水层的孔隙水具有密切的水力联系，具有统一的地下水面。

1）冲积物中的地下水

2）洪积物中的地下水

2.裂隙水充填于坚硬基岩中各种成因裂隙中的水，称为裂隙水。裂隙水按其赋存的裂隙成因不同分为：风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水。

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。

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4.泉泉是地下水出露于地表的天然露头，是地下水的一种重要排泄方式。

1)按照含水层的水头性质和补给来源分类按含水层的水头性质和补给来源分为包气带泉、潜水泉和自流水泉。

2)根据泉的出露原因分类根据泉的出露原因分为侵蚀泉、接触泉、溢出泉、断层泉。3)根据泉水温度分为冷泉、温泉。115.3达西定律和渗流

地下水在岩石空隙中的运动称为渗流。发生渗流的区域称为渗流场。由于受到介质的阻滞，相对地表水来说，地下水的流动通常较为缓慢。水体运动时，水的质点作有秩序、互不混杂地流动，称作层流运动。地下水在具狭小空隙的岩土介质(如砂、裂隙不很宽大的基岩)中流动时，重力水受介质的吸引力较大，水的质点排列较有秩序，呈现层流运动。水的质点无秩序地、互相混杂地流动，称为紊流运动。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。地下水在具宽大空隙(大的溶穴、宽大裂隙)的岩土介质中运动时，流速较大，容易呈现紊流运动状态。水体流动过程中，各个运动要素(水位、流速、流向等)不随时间改变时，称作稳定流。运动要素随时间变化的水流运动，称作非稳定流。严格地讲，自然界中地下水都属于非稳定流。但是，为了便于分析和运算，也可以将某些运动要素变化微小的渗流近似地看做稳定流。

125.3.1达西渗透定律

达西(H．Darcy)于1856年用如图7-9的试验装置，在稳定流和层流条件下，用粗颗粒土进行了大量的渗透试验，测定水流通过土试样单位截面积的渗流量，获得了渗流量与水力梯度的关系，从而得到渗流速度与水力梯度(或水头能量损失)和土的渗透性质的基本规律，即渗流的基本规律——达西渗透定律。135.3.2达西定律的适用范围由达西定律可知：流速与水力梯度成正比。在水力学中，这种水流属于层流流态，当孔隙较大，流速较大，水流就进入紊流流态，流速与水力梯度不再是线性关系，对于完整岩石，其孔隙尺寸非常小，一般不会越出层流界限。但是，由于孔隙的尺寸甚小，孔隙中的水受到固体骨架的吸附作用，达西定律同样不再适用而需要修正。

大量试验结果表明，黏性土的渗流在水力坡度大于时基本上服从这一规律，而砾石土则在水力坡度小于时适用达西定律。所以达西渗透定律的适用范围主要与渗透水流在土中的流动状态有关，属于层流状态者适用，紊流状态则不适用。145.3.3岩土的水理性质岩土的水理性质是指岩土与水相互作用时岩土显示出来的各种性质，主要有含水性、给水性和透水性。

1.岩土的含水性岩土含水的性质叫含水性。通常指容水性和持水性两个方面。

1）容水性：岩土的容水性是指常压下岩土孔隙中能容纳一定水量的性能，以容水度表示。

2）持水性：饱水岩土在重力作用下排水后仍能保持一定水量的性能称为岩土的持水性，以持水度表示。

2.岩土的给水性指在重力作用下饱水岩土从孔隙中能自由流出一定水量的性能，以给水度表示。

3.岩土的透水性指在水的重力作用下，岩土容许水透过自身的性能，通常以渗透系数表示。

155.4抽水、压水试验及水文地质参数的测试5.4.1地下水流向流速的测定

1.地下水流向的测定地下水的流向可用三点法测定。此外，地下水流向的测定，尚可用人工放射性同位素单井法来测定。

2.地下水流速的测定

1)利用水力坡度，求地下水的流速

2)利用指示剂或示踪剂，测定地下水的流速165.4.2抽水试验17

1.抽水试验的目的、方法和要求

1)抽水试验的目的工程地质勘察中抽水试验的目的，通常为查明建筑场地的地层渗透性和富水性，测定有关水文地质参数，为建筑设计提供水文地质资料。

2)抽水试验的方法

3)抽水试验的要求

2.抽水试验资料整理

1)现场整理18

2)室内整理

195.4.3注水试验

1.试验方法钻孔注水试验适用于地下水位埋藏较深，不便于进行抽水试验的场地，或在干的透水岩土层中进行。其原理与抽水试验相似，注水可以看做是抽水的逆过程。注水试验装置见图7-18。

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2.注水试验成果应用

215.4.4压水试验工程地质勘察中的压水试验，主要是为了探查天然岩(土)层的裂隙性和渗透性，获得单位吸水量等参数，为有关土建设计提供基础资料。

1.压水试验的方法和类型

2.压水试验的主要参数

1)稳定流量

2)压力阶段和压力值

3）试验段长度

3.压水试验成果整理

1）单位吸水量

2）根据单位吸水量近似求出渗透系数k3）单位吸水量与岩石裂隙性的关系

225.5地下水的物理化学性质

5.5.1地下水物理性质地下水的物理性质，主要包括颜色、气味、口味、透明度或浑浊度、温度、密度、导电性和放射性等。5.5.2地下水化学性质地下水的化学成分可以影响岩土的强度，从而造成对建筑工程的侵蚀及其他危害。

1.地下水的化学成分

1）地下水中的主要气体成分

2）地下水中的主要离子成分

3）地下水中的胶体成分与有机质

2.地下水的化学性质

1）总矿化度

2）酸碱度

3）硬度

4）侵蚀性235.5.4环境水对建筑材料的腐蚀性评价

1.对混凝土结构的腐蚀性评价

1）腐蚀类型

a.结晶类腐蚀

b.分解类腐蚀

c.结晶分解复合类腐蚀

2)腐蚀性评价标准

2.对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性评价

3.对钢结构的腐蚀性评价5.5.5地下水的污染

1.地下水污染及危害

2.污染源与污染物污染源：生活污染源、工业污染源、农业污染源和环境污染源。污染物：无机污染物、有机污染物、病原体污染物。

3.污染途径与方式地下水污染途径是复杂多样的，大致可分为四大类：即间歇入渗型，连续入渗型，越流型，迳流型。

245.6地下水对土木工程的影响

5.6.1概述地下水对土木工程建设的不良影响主要有：地下水渗透水流作用引起的流砂、管涌、潜蚀；地下水对位于水位下的岩石、土层和建筑物基础产生的浮托作用；人工降低地下水位产生的地基沉降以及地下水渗流引起的水库及坝体渗漏等问题。

25265.6.2流砂及其防治对策27

2.流砂形成的条件

1）岩性条件：土层由粒径均匀的细颗粒组成(一般粒径在0.01mm以下的颗粒含量在30～35％以上)，土中含有较多的片状、针状矿物(如云母、绿泥石等)和附有亲水胶体矿物颗粒，从而增加了岩土的吸水膨胀性，降低了土粒重量。因此，在不大的水流冲力下，细小土颗粒即悬浮流动。

2）水动力条件：水力梯度较大，流速增大，动水压力超过了土颗粒的重量时，就能使土颗粒悬浮流动形成流砂。

3.流砂的判别

1）按《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）判别。

2）按水动力条件判别

3)根据土的渗透系数

4)根据砂土孔隙度

1.流砂的破坏作用流砂是指松散细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。它与地下水的动水压力有密切关系，当地下水的动压力大于土粒的浮容重或地下水的水力坡度大于临界水力坡度时，就会产生流砂。282930

4.防止流砂的措施流砂对岩土工程危害很大，所以在可能发生流砂的地区应尽量利用其上面的土层作天然地基，也可利用桩基穿透流沙层。总之，应尽量避免水下大开挖施工。若必须时，可以利用下列方法防治流砂：

1)人工降低地下水位将地下水位降至可能产生流沙的地层以下，然后再开挖。

2)地下连续墙或板桩其目的一方面是加固坑壁，另一方面是改善地下水的迳流条件，即增长渗流途径，减小地下水力梯度和流速。

3)坑内注水，水下开挖在基坑(或沉井)中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成产生流砂的水头差，为了增加砂的稳定，也可向基坑中注水并同时进行挖掘。

4)采用土中灌浆或水泥搅拌桩通过土中灌浆或水泥搅拌桩来构成防水帷幕，以防止地下水流入。

5)其它方法处理流砂的方法还有冻结法、化学加固法、爆炸法及加重法等。在基槽开挖的过程中局部地段出现流砂时，立即抛入大块石等，可以克服流砂的活动。315.6.3潜蚀潜蚀是渗透水流在一定的水力梯度下产生较大的动水压力冲刷、挟走细小颗粒或溶蚀岩土体，使岩土体中的孔隙逐渐增大，甚至形成洞穴，导致岩土体结构松动或破坏，以致产生地表裂缝、塌陷，影响建筑工程的稳定。在黄土和岩溶等地区的岩、土层中最易发生潜蚀作用。

1.潜蚀作用分类潜蚀作用可分为机械潜蚀和化学潜蚀两种类型。

1）机械潜蚀:在地下渗透水流的长期作用下，产生岩土体中细小颗粒的位移和掏空现象。

2)化学潜蚀:易溶盐类(如岩盐、钾盐、石膏等)及某些较难溶解的盐类(如方解石、菱镁矿、白云石等)在流动水流的作用下，尤其是在地下水循环比较剧烈的地域，盐类逐渐被溶解或溶蚀，使岩土体颗粒间的胶结力被削弱或破坏，结果导致岩土体结构松动，甚至破坏。机械潜蚀和化学潜蚀一般是同时进行的，且二者是相互影响，相互促进的。32335.6.4管涌及其防治对策

1.管涌的破坏作用地基土在具有某种渗透速度(或梯度)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，此现象称为管涌。管涌通常是由于工程活动而引起的，但在有地下水出露的斜坡、岸边或有地下水溢出的地带也有发生，图7-21为管涌的破坏示意。

342.管涌产生的条件管涌多发生在非黏性土中，其特征是：颗粒大小比值差别较大，往往缺少某种粒径，磨圆度较好，孔隙直径大而互相连通，细粒含量较少，不能全部充满孔隙。颗粒多由比重较小的矿物构成，易随水流移动，有较大的和良好的渗透水流出路等。管涌采用下列方法判别：

35363.管涌的防治在有可能发生管涌的地层中修建水坝、挡土墙及基坑排水工程时，为防止管涌发生，设计时必须控制地下水溢出带的水力坡度，使其小于产生管涌的临界水力坡度。防止管涌最常用的方法与防止流砂的方法相同，主要是控制渗流、降低水力坡度、设置保护层、打板桩等。

375.6.5基坑降水的方法

1.基坑突涌当基坑下有承压水存在，开挖基坑减小了含水层上覆不透水层的厚度，在厚度减小到一定程度时，承压水的水头压力能顶裂或冲毁基坑底板，造成突涌现象。基坑突涌将会破坏地基强度，并给施工带来很大困难。

1)基坑突涌的形式

a.基底顶裂，出现网状或树枝状裂缝，地下水从裂缝中涌出，并带出下部土颗粒。

b.基坑底发生流砂现象，从而造成边坡失稳和整个地基悬浮流动。

c.基底发生类似于“沸腾”的喷水冒砂现象，使基坑积水，地基土扰动。38

2)基坑突涌产生条件

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3)基坑突涌的防止首先应查明基坑范围内不透水层的厚度、岩性、强度及其承压水水头的高度，承压水含水层顶板的埋深等。然后验算基坑开挖到预计深度时基底能否发生突涌。若能发生突涌，应在基坑位置的外围先设置抽水孔(或井)，采用人工方法局部降低承压水水位，直到把承压水位降低到基坑底以下某一许可值，方可动工开挖基坑，这样就能防止产生基坑突涌现象。40

2.人工降低地下水位的方法

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3.明沟排水明沟排水是在基坑(槽)内设置排(截)水沟和集水井，用抽水设备将地下水从集水井内排走，以达到疏干基坑内地下水的目的。明沟排水一般适用于渗透性差的黏性土地基排水。

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4.井点降水井点降水是利用井(孔)在基坑周围同时抽水，把地下水位降低到基坑底面以下的降水方法。井点降水常适用于粉砂、砂土地基降水。井点降水分为轻型井点、喷射井点、管井井点，深井井点和电渗井点等，这里只着重介绍轻型井点降水方法。4344井点降水45深井降水465.6.6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。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；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；如果基础位于黏性土地基上，其浮托力较难确切地确定，应结合地区的实际经验考虑。地下水不仅对建筑物基础产生浮托力，同样对其水位以下的岩体、土体产生浮托力。所以，在确定地基承载力设计值时，无论是基础底面以下土的天然重度或是基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下都取有效重度。地下基础抗浮措施一般采用桩基。

475.6.7水库及坝区渗漏的防治水库蓄水后，在适宜的地形、岩性、地质构造和水文地质条件下，库水将通过地下通道向库外渗漏，从而影响工程效益或大坝的安全。库水向外渗漏的途径通常有两种：其一是通过库岸的分水岭向邻谷(或相邻洼地)，或经由河湾部分渗向坝下游的河道，以及通过库盆底部渗向远处低洼地区；其二是通过坝基或绕过坝肩渗向坝下游(图7-31)，前者称为库区渗漏，后者称为坝区渗漏。

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1.库区渗漏的地质条件分析

1)地貌条件山区水库，如四周山体单薄，邻近又有低谷或洼地，且其底面标高又低于水库正常水位，当有渗漏通道时，库水将不断流向邻近低谷(或洼地)形成渗漏。邻谷切割越深，与库水位高程相差越大，渗漏的水量也越大(图7-32a)。反之，如邻谷切割不深，谷底高程高于正常水位时，则不会产生向邻谷的渗漏(图7-32b)。

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2)岩性和地质构造条件基岩地区可能产生大量渗漏的条件，主要是在分水岭或河湾地带有岩溶通道(图7-33b)，宽大的断层破碎带(图7-33c)、褶曲转折部位以及某些节理发育、透水性强的岩层。此外，分水岭单薄，基岩风化壳较厚的地带，或分水岭地区有古河道或冰水沉积的砂砾石层分布(图7-33a)，也会产生严重的渗漏。

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3)水文地质条件库区地下水埋藏与运动的特点，是判断库水外渗的又一重要标志。

a.分水岭地带的地下水为潜水分水岭地带的地下水为潜水时，根据地下水分水岭的位置或泉水在地表出露的高程与水库正常水位的关系，可以判断库水是否会向邻谷渗漏,如图7-34。

b.分水岭地区有承压水存在分水岭地区有承压水存在时，如果承压水透水层在邻谷出露的高程低于库水位，则库水就有可能沿透水层渗向邻谷。51

2.坝区渗漏的地质条件分析大坝建成后，坝上游水位抬高，在上、下游水位差的作用下,库水可能通过坝基或坝肩岩层中的孔隙、裂隙、破碎带向下游渗漏，前者称为坝基渗漏，后者称为绕坝渗漏。对于坝区渗漏应当特别重视，因坝区水头高，渗透途径短，渗漏量可能很大。坝区渗漏形式分为均匀渗漏和集中渗漏两种。前者，如通过砂砾石层和基岩中较为均布的风化裂隙的渗漏；后者，如通过较大的断裂破碎带和各种岩溶通道的渗漏。