水文地质第五章 地下水

第五章地下水主要内容概述

地下水类型及其主要特征

地下水的性质

地下水对建筑工程的影响引言

1.地下水的工程意义

地下水是重要的一种天然资源

地下水是岩土三相组成部分中的一个重要组分

重力水是一种很活跃的流动介质

2.渗透性：

地下水在岩土孔隙或裂隙中能够渗流，将岩

土

能被水或其他液体透过的性质称之为渗透性。

§5.1地下水概述一、地下水的地质作用地下水能降低岩上强度和地基承载力；对砂性土、粉性土产生潜蚀作用，破坏土体的结构；会使粉细砂和粉性土产生流砂现象，影响建筑物和地下设施的稳定性，甚至引起破坏，同时给地下工程施工带来许多麻烦;当深基坑下部有承压水时，若不降低承压水头压力，可能会冲毁坑底土体造成突涌危害;地下水对其水位以下的岩土会产生静水压力作用；有些地下水会腐蚀钢筋混凝土。二、地下水及含水层

1.基本概念

地下水的来源：大气降水。降落的水分，一部分渗入地下，另一部分沿地面汇集于低处，成为河流、湖泊、海洋的地表水，而地表水也可以通过岸边或谷底渗入地下。这些渗入的水，就是地下水的主要补给来源。

地下水：存在于地壳表面以下岩土空隙（如岩石裂隙、溶穴、土孔隙等）中的水称为地下水。

存在形式：地下水有气态、液态和固态三种形式。

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。

2.

毛细水---受毛细作用控制的地下水。对于土体来说，毛细水上升的快慢及高度决定于土颗粒的大小。土颗粒愈细，毛细水上升高度愈大，上升速度愈慢。土颗粒愈粗，毛细水上升高度愈小，上升速度愈快

毛细水对建筑工程的意义主要有：

（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）毛细水对土中气体的分布与流通有一定影响，常常是导致产生封闭气体的原因。

（3）当地下水位埋深变浅时，由于毛细水上升，可助长地基土的冰冻现象；使地下室潮湿；危害房屋基础及公路路面；促使土的沼泽化、盐渍化。

毛细压力，即：pc

=（2

ωcos

θ）/r

式中pc——毛细压力（kPa）；

r——毛细管半径（m）；

ω——水的表面张力系数，10℃时，ω=0.073N／m；

θ——水浸润毛细管壁的接触角度，当θ=0

°时，认为毛细管壁为完全湿润的；当θ＜90°时，表示水能湿润固体的表面；当θ＞90

°时，表示水不能湿润固体的表面。

3.

重力水-----受重力控制的地下水当岩石、土层的空隙完全被水饱和时，粘土颗粒之间除结合水以外的水都是重力水，它不受静电引力的影响，而在重力作用下运动，可传递静水压力。

重力水的工程意义：

静水压力

动水压力

浮托力

溶解能力--岩土产生化学潜☆含水层：我们把能够给出并透过相当数量重力水的岩层或土层，称为含水层。☆隔水层：是指那些不能给出并透过水的岩层、土层，或者这些岩土层给出与透过水的数量是微不足道的。☆构成含水层的条件：1.岩土中要有空隙存在，并充满足够数量的重力水；2.这些重力水能够在岩土空隙中自由运动。

三、岩土的水理性质

岩土的水理性质主要有

含水性

给水性

透水性

1.

岩土的含水性----

岩土含水的性质。

表示岩土能容纳和保持水分的多少。

具体表示方法有以下两种：

容水度（饱和含水量）：岩土空隙完全被水充满时的含水量称为容水度（饱和含水量），数值等于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。

持水度（最大分子含水量）：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）。持水度就是指受重力作用时岩土仍能保持的水的体积与岩土体积之比。

2.

岩土的给水度

饱水岩土在重力作用下排出的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，无试验资料时，可参照书中表选取。3.岩土的透水性---

岩土允许重力水渗透的能力●通常用渗透系数表示。●空隙的大小和多少决定着岩石透水性的好坏，但两者的影响并不相等，空隙大小经常起主要作用。●空隙愈小，重力水所能达到的最大流速便愈小，透水性也越差。当空隙直径小于两倍结合水的厚度，在通常条件下便不透水。●在空隙透水、空隙大小相等的前提下，孔隙度越大，能够透过的水量愈多，岩土层的透水性也愈好。例如，砂性土的空隙度小于粘性土，但前者的渗透系数大于后者。●渗透系数k可以用野外抽水试验测定。4.达尔西(Darcy)定律

地下水线性渗透的基本定律：

Q=KA(H1-H2)/L

=

KAI

或v

=Q/A=KI

式中

Q——渗透流量［L3·T-1］；

H1、H2——上、下游过水断

面的水头［L］；

A——过水断面的面积［L2］包括岩土颗粒和空隙两部分的面积；

K——渗透系数［L·T-1］；

L——渗透长度［L］；

I——水力坡度；

v——地下水渗透速度［L·T-1］。5.有关渗流的几个概念：

（1）渗流：地下水在多孔介质中的运动称为渗透或渗流。

★地下水的渗透符合达西定律。即地下水的渗流速度与水力坡度的一次方成正比，也就是线性渗透定律。

★当I=1时，K=v即渗透系数是单位水力坡度时的渗流速度。

达西定律只透用于雷诺数≤10的地下水层流运动。（2）渗流速度v：在达尔西定律，过水断面的面积包括岩土颗粒所占据的面积及空隙所占据的面积，而水流实际通过的过水断面面积A1为空隙所占据的面积，即：

A1

=

A

·

n

式中n——空隙度。

由此可知；v并非地下水的实际流速，而是假设水流通过整个过水断面（包括颗粒和空隙所占据的全部空间）时所具有的虚拟流速。

（3）水力坡度I：水力坡度为沿渗流途径的水头损失与相应渗透途径长度的比值。

地下水在空隙中运动时，受到空隙壁以及水质点自身的摩阻力，克服这些阻力保持一定流速，就要消耗能量，从而出现水头损失。§5.2地下水类型及其主要特征

地下水按埋藏条件可分为三大类：即包气带水、潜水、承压水。根据含水层的空隙性质，地下水可分为三个亚类：孔隙水、裂隙水、岩溶水。一、包气带水：包气带水的主要特征：包气带水处于地表面以下潜水位以上的包气带岩上层中，包括土壤水、沼泽水、上层滞水以及基岩风化壳（粘土裂隙）中季节性存在的水。受气候控制，季节性明显，变化大。工程意义：腐蚀、盐碱化

二、潜水

1.

定义：埋藏在地表以下第一层较稳定的隔水层以上具有自由面的重力水叫潜水。2.

特征：（1）潜水有自由表面；（2）水量受气候条件影响，季节性变化明显（3）水温随季节而有规律的变化（4）水质易受污染。3.

补给来源：大气降水地表水深层地下水

4.排泄：

渗入地表水体蒸发泉

三、承压水1.定义：地表以下充满两个稳定隔水层之间的重力水称为承压水或自流水。2.

特征：（1）承压水具有一定压力（2）承压水不受气候的影响，动态较稳定（3）不易受污染

（4）承压水的形成与分布的地质构造及沉积条件有密切关系。3.适宜形成承压水的地质构造：一为向斜构或盆地，称为自流盆地

另一为单斜构造亦称为自流斜地

4.

补给：

大气降水地面水体潜水含水层越流短

5.

排泄方式

泉的形式排出；

断层切割承压含水层时，

沿着断层破碎带以泉的形式排泄；

压力高的承压水便补给其他含水层

四、裂隙水

1.

定义：埋藏在基岩裂隙中的地下水叫裂隙水。

2.

特征：

（1）水运动复杂

（2）水量变化较大

（3）与裂隙发育程度、性质及成因有密切关系。

3.裂隙水按基岩裂隙成因分类有：

（1）风化裂隙水

（2）成岩裂隙水

（3）构造裂隙水

4.

风化裂隙水

●多为层状裂隙水●在一定范围内是相互连通的水体●水平方向透水性均匀，垂直方向随深度而减弱●多属潜水，有时也存在上层滞水

●受大气降水的补给，有明显季节性循环交替性，常以泉的形式排泄于河流中。5.

成岩裂隙水

●岩浆岩中成岩裂隙水较为发育

●成岩裂隙水多为潜水含水层，呈层状，在一定范围内相互连通。

●在具有成岩裂隙的岩体为后期地层覆盖时可构成承压含水层6.

构造裂隙水

●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。

●分为层状构造裂隙水和脉状构造裂隙水。

●可以是潜水，也可以是承压水

●裂隙各有自己独立的系统、补给源及排泄条件，水位不一致。

●渗透性常常显示各向异性。

五、岩溶水

1.定义：

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。

2.分类（埋藏条件）：

（1）岩溶上层滞水：

（2）岩溶潜水：

（3）岩溶承压水：

3.特征

岩溶水的分布主要受岩溶发育规律控制4.

岩溶：

岩溶就是指水流与可溶岩石相互作用的过程以及伴随产生的地表及地下地质现象的总和。

岩溶作用：化学溶解和沉淀作用

机械破坏作用和机械沉积作用六、孔隙水

孔隙水赋存于松散沉积物颗粒构成的孔隙网络之中。特定沉积环境中形成的成因类型不同的松散沉积物，受到不同的水动力条件控制，从而呈现岩性与地貌有规律的变化，决定着赋存于其中的地下水的特征。洪积扇中的地下水

典型的洪积扇形成于干旱、半干旱地区的山前地带。由山区→平原：河道洪流速度由大→小，水流由集中流→分散流；水的搬运能力由大→小（急剧下降），所携带物质大量堆积→洪积扇。1．地质特点（1）地形上：由山区→平原：陡→缓；（2）颗粒大小：由扇顶→平原：粗→细：砾石、卵石→砂→粘土；（3）分选性：由扇顶→平原：差→好。2．水文地质分带Ⅰ洪积扇上部（潜水深埋带或盐分溶滤带）：（1）颗粒粗大，有利于吸收降水或地表水的补给——主要的补给区；（2）地势高，潜水埋藏深（一般十几米~几十米）；（3）岩性透水性好，地形坡降大，地下径流强烈；（4）蒸发微弱，溶滤强烈，故形成低矿化度水（M=几十mg/L~几百mg/L）；（5）地下水动态变化：水位变幅大。Ⅱ洪积扇下部（溢出带或盐分过路带）：（1）颗粒变细；（2）地形变缓；（3）透水性变差，地下径流受阻，水位接近地表，形成泉或沼泽；（4）蒸发加强，水的矿化度增高；（5）地下水水位动态变化小。Ⅲ洪积扇前缘以下（潜水下沉带）：（1）潜水埋深又略增大；（2）岩性变细，地势变平，潜水埋深变大；（3）蒸发成为主要排泄方式；（4）水的矿化度增大，土壤常发生盐渍化。六、泉

1.

泉的定义：泉是地下水天然露头。是地下水的主要排泄方式之一。

2.泉的类型（补给源）

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。

潜水泉（下降泉）：主要靠潜水补给，动态较稳定，有季节性变化规律。

自流水泉（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。

按出露条件可分为侵蚀泉、接触泉、溢出泉等。

侵蚀泉：当河谷、冲沟向下切割含水层，地下水涌出地表便成泉，这主要和侵蚀作用有关，故叫侵蚀泉。

接触泉：因地形切割含水层隔水底板时，地下水被迫从两层接触处出露成泉，故称接触泉。

溢出泉：当岩石透水性变弱或由于隔水底板隆起，使地下水流动受阻，地下水便溢出地面成泉，这就是溢出泉。

§5.3地下水的性质

一、地下水的物理性质

地下水的物理性质有温度、颜色、透明度、气味、味道、导电性及放射性。

地下水物理性质的研究，使我们能初步了解地下水的形成环境、污染情况及化学成分，这为利用地下水提供了依据。二、地下水的化学成分

1.成分来源：▲

岩土中的地下水，是一种良好的溶剂，能溶解岩土中的可溶物质，形成水的化学成分。

▲地下水的补给、径流、排泄过程中，由于地质、自然地理环境的影响，地下水会发生浓缩、混合、离子交换吸附、脱硫酸和碳酸作用，促使地下水的化学成分不断变化。

2.地下水中的主要离子成分▲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-、HCO3-。即4种阳离子和3种阴离子。

▲矿化度：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。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。

注意:

由于在蒸干时有将近一半的HCO3-了分解生成CO，及H2O而逸失。所以，阴阳离子相加时，

HCO3只取重量的50％。3．地下水中主要气体成分

O2、N2、CO2及H2S是地下水中的主要气体成分。

作用:

气体成分能够很好地反映地球化学环境；地下水中存在某些气体能够影响盐类在水中的溶解度以及其它化学反应。

如:

地下水中CO2的含量越多，其溶解碳酸盐类的能力以及对结晶岩类风化作用的能力也越强。地下水中存在侵蚀性CO2时，就会对钢筋混凝土产生腐蚀作用。4.地下水中的胶体成分与有机质

以碳、氢、氧为主的有机质，经常以胶体方式存在于地下水中。作用:

大量有机质的存在，有利于进行还原作用，从而使地下水化学成分发生变化。

地下水中，其中分布最广的是Fe(OH)2、A1(OH)3及SO2。§5.4地下水对建筑工程的影响地下水对建筑工程的不良影响主要有：

●降低地下水会使软土地基产生固结沉降；

●不合理的地下水流动会诱发某些土层出现流砂现象和机械潜蚀；

●地下水对位于水位以下的岩石、土层和建筑物基础产生浮托作用；