《工程地质学》孔宪立-石振明第五章(部编)课件

第五章地下水§5.1地下水概述杭州地铁施工发生塌陷，17死??失踪坍塌口至少压了50多人，目前生死不明。（2008-11-15）杭州地铁施工发生塌陷，10死??失踪坍塌口至少压了50多人，目前生死不明。（2008-11-15）基本概念地下水的广义概念：赋存于地面以下岩石空隙中的水地下水的狭义概念：赋存于饱水带岩石空隙中的水5.1.1

地下水及含水层A．产生毛细压力，使砂土（主要是细砂、粉砂）具有一定的粘聚力（假粘聚力）；B．毛细水会影响土中气体的分布与流通，常常会导致产生封闭气体；C．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。

毛细水指在岩土细小的孔隙和裂隙中，受毛细作用控制的水，它是岩土中三相界面上毛细力作用的结果。毛细水对建筑工程的意义主要有：（1）毛细水地下水位毛细上升高度(hc)毛细带

土粒直径

水的重度

表面张力◆粒径大小与上升高度的关系◆

粉土最利于毛细水的形成Icelensbody冰透镜体Groundfrozenexpansion

地面冻胀Groundfrozen地面冻胀沼泽地（湿地）

Marshland(salinizedsoil)毛细水的工程意义(2)重力水：

不受静电引力的影响，在重力作用下运动，可传递静水压力。重力水能产生浮托力、孔隙水压力。流动的重力水在运动过程中会产生动水压力。重力水具有溶解能力，对岩土产生化学潜蚀，导致土的成分及结构的破坏。重力水是本章研究的主要对象。含水层和透水层含水层：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。构成含水层的条件，一是岩土中要有空隙存在，并充满足够数量的重力水；二是这些重力水能够在岩土空隙中自由运动。隔水层：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。岩土的水理性质：含水性给水性透水性5.1.2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。含水性：容水度；持水度容水度(饱和含水量)：岩土空隙完全被水充满时的含水量。用容积表示时为：岩土空隙中所能容纳的最大的水的体积与岩土体积之比，与孔隙度、裂隙率或岩溶率相等。但是，对于具有膨胀性的粘土来说，充水后体积扩大，容水度可以大于孔隙度。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。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。在重力作用下，岩石空隙中所保持的主要是结合水。因此．持水度实际上说明岩石中结合水含量的多少。给水性：给水度给水度：饱水岩土在重力作用下排出的水的体积与岩土体积之比。数值上等于容水度减去持水度。大小与有效孔隙有关，不同的岩土其给水度相差很大。透水性由于结合水对于重力水，以及重力水质点之间存在着摩擦阻力，最靠近边缘的重力水，流速趋近于零，向中心流速逐渐变大，中心部分流速最大。因此，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。另一方面，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。总之，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。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。达西定律（线性渗透定律）v=Q/A=KIV：渗透速度K：渗透系数，单位水力梯度时的渗透速度I：水力梯度适用于雷诺数<=10的层流运动§5.2地下水的基本类型和特征

1.按地下水的埋藏条件包气带水、潜水、承压水。

2.按地下水的含水介质类型孔隙水、裂隙水、岩溶水。5.2.1.包气带水

处于地表面以下、潜水位以上的包气带岩土层中，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。

主要特征是受气候控制，季节性明显，变化大，雨季水量多，旱季水量少，甚至干涸。

包气带水对农业有很大意义，对工程建筑有一定影响。5.2.2.潜水定义：地面以下第一个稳定隔水层以上的饱和水,具自由的表面，称为潜水面（地下水面）（watertable）潜水层的水质、厚度、埋藏深度受自然地理环境和地形、季节的控制。潜水埋藏浅、分布广泛，是最常用的水源。

潜水的自由表面，承受大气压力，受气候条件影响，季节性变化明显，春、夏季多雨，水位上升，冬季少雨，水位下降，水温随季节而有规律的变化，水质易受污染。

潜水面随时间而变化，其形状则随地形的不同而异，也和含水层的透水性及隔水层底板形状有关。含水层厚度较大的地方。潜水面就变得平缓，隔水底板隆起处，潜水厚度减小。潜水的补给来源主要有：大气降水大气凝结水地表水深层地下水大气降水是补给潜水的主要来源。降水补给潜水的数量多少，取决于降水的特点及程度、包气带土层的透水性及地表的覆盖情况等。一般来说，时间短的暴雨，对补给地下水不利，而连绵细雨能大量的补给潜水。5.2.3.承压水

充满于上、下两个稳定隔水层之间的含水层中的地下水。具有静水压力。承压水在合适的岩性、地质构造、地形等条件相互配合下形成。含水层面积大，水量丰富，动态较稳定，是理想的水源。承压水不具自由水面，并承受一定的静水压力。承压含水层的分布区与补给区不一致，常常是补给区远小于分布区，一般只通过补给区接受补给。承压水的动态比较稳定，受气候影响较小。水质不易受地面污染。

承压水水头压力在有裂隙和大孔隙条件下可能引起基坑突涌，破坏坑底的稳定性。5.2.4裂隙水与岩溶水（1）孔隙水（porewater） 一般呈连续的层状分布;（2）裂隙水（fissurewater） 层状裂隙水:裂隙发育密集、相通，有统一的水位； 脉状裂隙水：裂隙稀疏、不均匀、相对隔绝；（3）喀斯特水（karstwater）分布于可溶性岩石中的裂隙洞穴、暗河，分布极不均匀；溶洞内钟乳石沉积5.2.5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）上升泉—具有压力；（2）下降泉---仅受重力驱动。（3）泉的形成原因：含水层的侵蚀；弱透水层和断层的阻挡；断层的导水作用；地下热水（温泉）地下热水——温度高于当地年平均气温的地下水。低温热水—20-400C中温热水—40-600C高温热水—60-1000C过热水——>1000C四川海螺沟冰川温泉地下水的物理性质：温度：过冷水(<0度）、冷水（0-20度）、温水（20-42度）、热水（42-100度）、过热水（>100度）颜色：决定于化学成分及悬浮物，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；含有机腐殖质时为灰暗色。含悬浮物的水，其颜色决定于悬浮物。透明度：透明的、微浑的、混浊的、极混浊的气味：含腐殖质时（沼泽味），含硫化氢（臭蛋味）味道：决定于化学成分。咸（NaCl)、甜（Ca(OH)2、Mg(OH)2)、苦（MgCl2、MgSO4)、清爽可口（CaCO3)。导电性：取决于电解质的多少放射性：取决于放射性物质的多少§5.3地下水的物理性质化学成分地下水中主要离子成分：阳离子：H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Fe2+阴离子：OH-

、Cl-、SO42-、NO2-、NO3-、HCO3-、CO32-、SiO32-、HCO3-。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种阴离子地下水的化学成分：

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。一般情况下，地下水中气体含量只有几毫克／升一几十毫克／升。但是，气体成分能够很好地反映地球化学环境；同时，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。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。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。很难以离子状态溶于水的化合物也往往以胶体状态存在于地下水中，其中分布最广的是Fe(OH)3、A1(OH)3及SO2。§5.4地下水对建筑工程的影响

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。

民房1（混6）民房3（混6）民房4（混6）赛华公寓（砼9）三层公寓（混3）淮海大楼（混6）三号楼（混3）淮海中路1号线地铁隧道常熟路常熟路车站周边环境示意图7号线常熟路民房2（混4）一、地基沉降（1）松散沉积层中进行深基础施工时，人工降低地下水位——使周围土层产生固结沉降。（2）抽水井的滤网和砂滤层设计不合理或施工质量差，抽水时细小颗粒同地下水一起带出地面——周围地面土层不均匀沉降——造成地面建筑物和地下管线损坏。（3）抽水时在水周围形成降水漏斗——使周围建筑物或地下管线产生不均匀沉降，甚至开裂。在细砂或粉砂土层的基坑开挖时，地下水位以下的土在动水压力的推动下极易失去稳定，随着地下水涌入基坑。称为流砂现象。流砂发生后，土完全丧失承载力，土体边挖边冒，施工条件极端恶化，基坑难以达到设计深度。严重时会引起基坑边坡塌方,临近建筑物出现下沉、倾斜甚至倒塌。广佛地铁桂城站基坑出现流砂，地面下沉约1.5m图为砂包封堵抢险现场二、流砂

产生流砂现象的原因有内因和外因。

产生流砂的原因流砂发生基坑满目狼籍流砂支挡强行施工

取决于土的性质，当土的孔隙比大、含水量大、粘粒含量少、粉粒多、渗透系数小、排水性能差等均容易产生流砂现象。流砂现象极易发生在细砂、粉砂和亚粘土中，但是否发生流砂现象，还取决于一定的外因条件。内因

外因式中：

I——水力坡度（I=（h1-h2）/L）；

h1－h2——水位差；

γW——水的重度。

是地下水在土中渗流所产生的动水压力GD的大小，为：

当地下水位较高、基坑内排水所形成的水位差较大时,动水压力也愈大,当GD≥γ(土的浮重)时就会推动土壤失去稳定，形成流砂现象。上海地铁4号线流砂事故2003年7月1日造价过亿的泵站已倾斜、下沉,泡在水里武警在沉陷和开裂的黄浦江防汛墙段抢险流砂破坏示意图

斜坡条件时地基条件时１－原坡面；２－流砂后坡面；３－流砂堆积物；４－地下水位；５－建筑物原位置；６－流砂后建筑物位置；７－滑动面；８－流砂发生区流砂防治防——在易产生流砂的地区应尽可能的避免开挖。治：（1）人工降低地下水位（2）打板桩打板桩加固坑壁，增长地下水渗流途径，以减小水力坡度。（3）冻结法使地下水和土层一起冻结，水下挖掘。（4）水下挖掘 （5）其它方法：化学加固法三、潜蚀1.类型1）机械潜蚀：2）化学潜蚀：1）机械潜蚀：土粒在地下水的动水力作用下受到冲刷，将细粒土冲走，使土的结构破坏，形成洞穴的作用，形成管涌。2）化学潜蚀：在地下水和一氧化碳等作用