工程地质与水文地质－地下水

工程地质与水文地质凌贤长

博士·教授·博士生导师地下水地下水。地下水来源与循环。地下水物化性质。含水层与隔水层地下水存在形式。地下水埋藏类型。泉。地下水运动规律。地下水地质作用。地下水工程危害。地下水合理利用与地下水污染。地下水来源与循环地下水来源大气降水。冰雪融水。地表水。沉积物夹带水。深部来源水。地下水地下水：赋存于地下岩土空隙中的水。地下水循环地下水参与全球水循环。

渗透地下水大气水蒸发降水渗透渗透地表流水冰雪融水海洋水湖泊水水库水河流渗透地下水物化性质地下水物理性质温度－取决于气候和地质条件。颜色－取决于化学成分和悬浮物。透明度－取决于矿物质、悬浮物、有机质、胶体。气味－取决于气体、有机质、矿物质。味道－取决于化学成分。导电性－取决于电解质，也受温度影响。地下水化学成分及其变化地下水均具有一定的化学活性与矿化度。因而，地下水是一种良好的天然溶剂。地下水在运移工程中持续不断地与岩土发生作用并溶解岩土中的可溶物质，从而使其变成具有一定化学活动性的流体。在地下水的补给、径流、排泄过程中，由于受地质背景、地理环境、气象条件、人类活动的影响，地下水将发生浓缩、混合、离子交换与吸附、脱硫酸和碳酸作用，促使地下水的化学成分不断变化。地下水化学成分及其变化地下水中常见的元素，有的在地壳中含量较高且在水中具有一定溶解度，有的在地壳中含量并不很大、但在水中溶解度则相当大。地下水中分布最广、含量较多的离子有Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3－等。某些元素虽然在地壳中含量很大、但是在水溶解度很小，因而在地下水中的含量一般并不高，如Si、Fe等。地下水化学成分及其变化由于盐类在水中溶解度不同，致使离子与地下水矿化度之间有一定规律。在地下水中，氯盐溶解度最高，硫酸盐次之，碳酸盐较小，钙的硫酸盐【特别是钙、镁碳酸盐】溶解度最小。随地下水矿化度增大，钙、镁碳酸盐最先达到饱和并沉淀析出，既之钙硫酸盐也饱和析出。地下水中主要气体成分及其来源氧气－主要来源于大气。氮气－主要来源于大气，次之来源于生物作用和变质作用。硫化氢－一部分来源于缺氧还原环境中的微生物作用，另一部分来源于深部油气层中。甲烷－主要来源于深部油气层中。二氧化碳－一部分来源于有机质的氧化作用和生物化学作用，一部分来源于碳酸盐岩的分解作用。地下水中的主要离子成分及其来源氯离子－几乎存在于所有的地下水中且含量一般较高，主要来源于溶解盐和氯化物，次之来源于海水倒灌和污染物。硫酸根离子－在地下水中含量仅次于氯离子，主要来源于硫酸盐、硫化物、含硫矿物，次之来源于污染物。重碳酸根离子－在地下水中广泛分布、但含量一般很少，主要来源于碳酸盐岩的溶解作用。地下水中的主要离子成分及其来源钠离子－在地下水中广泛存在、但含量变化极大，主要来源于岩盐和含钠岩石的溶解作用。钾离子－在地下水中分布较广、但含量一般很少，主要来源于岩盐和含钾岩石的溶解作用。钙离子－在地下水中广泛分布、但含量一般很少，主要来源于碳酸盐岩的溶解作用。镁离子－在地下水中广泛分布、但含量一般很少，主要来源于白云岩和泥灰岩的溶解作用。含水层与隔水层含水层：能够给出并透过相当数量地下水的地层。构成含水层的条件，一是地层中含有空隙且充满足够数量的地下水，二地下水能够在地层空隙中运移。隔水层：不能给出并透过地下水的地层，或地层给出与透过地下水的数量微不足道。地下水存在形式气态。液态。固态。孔隙水。裂隙水。溶隙水。毛细水。自流水重力水。粗砂土中砂土细砂土粘质粉土粉质粘土粘土2～4cm12～35cm35～120cm120～250cm250～350cm500～600cm毛细水上升高度毛细压力地下水埋藏类型包气带水。上层滞水。饱和带水。潜水。承压水。。包气带水潜水承压水饱和带水隔水层隔水层上层滞水地表饱和带水包气带水：潜水面以上且充分包气地带的地下水，水量小、含水层不饱和且直接与大气连通，包括土壤水、沼泽水、上层滞水、风化壳中季节水，主要补给源为地表径流、次之为潜水及沉积物夹带水，主要特征为易被污染、动态极不稳定，并且受控于气候条件且随季节变化大，雨季水量多、旱季水量少或干涸。上层滞水：包气带中位于局部隔水层上的地下水，主要补给源为地表径流、次之为潜水及沉积物夹带水，随季节变化且易被污染。饱和带水：潜水面以下且直接与大气连通地带的地下水，含水层饱和，主要补给源为地表径流、次之为承压水及沉积物夹带水，随季节变化且易被污染。潜水潜水：第一隔水层之上且具有自由水面的重力水。潜水主要存在于第四纪松散沉积层中，沉积岩、岩浆岩、变质岩的空隙中也有分布。潜水因大气压、气候、季节、地形、地质构造、含水层透水性、隔水层顶板形状、补给源、植被、人为因素不同而明显变化，主要表现为潜水的水位、埋深、水面、水温、物理性质、化学成分、水量等的动态变化。潜水春、夏多雨季节，潜水位上升、水量增大。秋、冬少雨季节，潜水位下降、水量减少。潜水的水温也随季节有规律变化。潜水的水质易被污染，尤其是环境灾变或突变、排污、过量开采、工程活动等。潜水流动方向上，含水层透水性增强。含水层厚度较大处，潜水面较平缓。隔水层顶板隆起处，潜水层厚度减小。潜水面接近地表，可以形成泉。若河流与潜水层有水力联系，河水可补给潜水、潜水也可补给河流。河流中、上游一般为潜水补给河流，下游为河水补给潜水。深层地下水位较潜水位高，深层地下水补给潜水。承压水承压水：位于相邻两个隔水层之间且承受一定压力的地下水【非重力水】，也称为自流水。含水层的透水性愈好，压力愈大，人工开凿后能够自流到地表。承压水不受气候影响，动态较稳定，不易被污染。承压水的形成与地质构造、沉积条件关系密切。适宜形成承压水的地质构造大致有两种：一是构造盆地【自流盆地】；另一是单斜构造【自流斜地】。同一地区自流盆地或自流斜地，可埋藏多个承压含水层，各具有不同的稳定水位、不同的水力联系，主要取决于地形与地质构造之间关系。补给区承压区排泄区自流盆地承压区补给区排泄区自流斜地承压水若地形与构造一致【正地形】，下部含水层压力高、并可补给上部含水层。若地形与构造不一致【反地形】，上部含水层压力高、并可补给下部含水层。承压含水层直接出露地表，便形成潜水，依靠大气降水补给。若承压含水层的补给区出露于地表水体附近，补给源便是地表水体。若承压含水层与潜水含水层有水力联系，潜水也可能成为补给源。承压水承压水的径流主要决定于补给区与排泄区的高差及其距离、含水层的透水性。一般说来，补给区与排泄区的距离短、水位差大且含水层的透水性良好，承压水的径流条件便好。相反，若补给区与排泄区的距离较远、或水位差较小、或含水层的透水性较差，则承压水的径流条件便差、循环交替就缓慢。承压水承压含水层被河流切割，承压水以泉的形式排出。断层切割承压含水层时，可能存在两种情况：一是承压水沿断层以泉的形式排泄；另一是种断层同时切割几个含水层，致使各含水层建立水力联系，压力高的承压水便补给压力低的含水层。补给区承压区排泄区正水头负水头承压水层厚度包气带水潜水面潜水层隔水层承压水面承压水层隔水层承压区补给区承压区排蓄区泉泉：地下水的天然露头，属于地下水的主要排泄方式之一。泉的实际用途很广，水量丰富、动态稳定的泉可作供水水源，含碘、硫等元素的泉可作医疗、保健之用，此外研究泉对了解地质构造、地下水等有极大意义。泉往往出露于山麓、河谷、冲沟等地形低洼地带，平原地区出露较少；有的泉出露后直接流入河流或湖泊中，水流清澈【泉出露的标志】；在干旱季节，周围草木枯黄，但是泉的附近却绿草如茵【泉出露的标志】。泉依据补给源的类型，泉可以分为承压水泉、潜水泉及上层滞水泉三类。依据出露的原因，泉可以分为侵蚀泉、接触泉及断层泉三类。依据泉水的温度，泉可以分为冷泉、温泉两类。潜水泉：又称为下降泉，主要靠潜水补给，动态较稳定，有季节性变化规律。承压水泉：又称为上升泉，主要靠承压水补给，动态稳定，年变化不大，一般分布在自流盆地和自流斜地的排泄区、构造断裂带上。上层滞水泉：主要靠上层滞水补给，动态不稳定，随季节不同而变化，干旱、枯水季节泉断流，梅雨、丰水季节泉出露。泉侵蚀泉：河谷、冲沟向下切割、侵蚀含水层，地下水涌出地表形成泉。接触泉：当侵蚀切割含水层的隔水层底板时，迫使地下水从含水层与隔水层之接触处出露形成泉。断层泉：由于断层作用使含水层被隔水层阻挡，地下水沿断层上升形成泉。冷泉：泉水温度相当于或略低于当地年平均地温，大多数由潜水补给。温泉：泉水温度高于当地年平均地温，大多数由深层自流水补给。温泉起源于岩浆热液和深部热流对地下水的加热。地下水运动规律一般情况下，地下水在地层空隙中运移速度极其缓慢，因而特称为渗透或渗流。地下水的渗透受控于含水层的产状、水力坡度【水位差】、空隙度、透水性、空隙大小、地温等多种因素。地层的孔隙度与岩土的颗粒形状、堆积程度、分选性有关。地层的透水性与空隙的连通程度有关。地下水的渗流通道曲折、复杂，一般表现为紊流形式，很少出现层流。紊流：水质点的运动方向不一致、流线随机交叉。层流：水质点的运动平行一致、流线无交叉现象。颗粒形状颗粒堆积程度颗粒分选性曲折、复杂的渗流通道紊流层流地下水渗流随地形变化旱季潜水面雨季潜水面平均潜水面潜水面随地形和季节变化在研究地下水运动规律时，不可能研究每个实际渗流通道中的水流运动，而是研究等效平均直线水流通道中的水流运动。也就是说，采用充满整个含水层【包括空隙和岩土颗粒所占据的全部空间】的假想水流，代替仅在空隙中运动的实际水流。空隙中实际水流方向和水流通道等效平均直线水流方向和水流通道等效实际水流假想水流等效实际水流假想水流采用充满整个含水层的假想水流代替仅在空隙中运动的实际水流的前提条件。假想水流通过任一过水断面的流量必需等于实际水流通过同一过水断面的流量。假想水流在任一过水断面上的水头必需等于实际水流在同一过水断面上的水头。假想水流在流动过程中所受的阻力必需等于实际水流在渗流过程中所受的阻力。基本假设地层的岩土属于多孔介质。地下水在地层中运移表现为渗透或渗流。自然条件下，地下水在地层中运移的阻力较大，因而为层流运动。达西定律计算式。

I-水头梯度【物理意义：渗流单位长度的水头损失】。K-渗透系数【物理意义：当水头梯度I＝1时，渗透速度】。

达西【Darcy，法国水利工程师，1852－1855】定律据达西定律计算的渗透速度V与地下水在地层中的实际流速v之间关系。Q=AV=nAvV=nv由于n<<1，所以v>>V，即由达西定律计算的渗透速度V远小于地下水在地层中的实际流速v。达西定律假设地层全部由空隙组成。过水断面积为A。Q＝AV。实际地层由土粒和空隙组成。地层的空隙率为n。实际的过水断面积为nA。Q=nAv。等效达西定律只适用于雷若系数不大于10的地下水渗流计算！而实际地下水渗流的雷若系数远远大于10，一般超过2300。地下水地质作用地下水运行于岩土的孔隙和裂隙中，流速慢，机械作用不明显，主要表现为化学溶蚀、溶运、沉积作用。岩溶：以地下水作用为主，对可溶性岩石进行各种化学溶蚀、溶运、沉积作用。岩溶形成条件：气候湿润，具有丰富的地下水和大量可溶性岩石，岩石裂隙、孔隙发育而有利于地下水渗流。岩溶地貌包括降落漏斗、溶洞、溶蚀平原、钟乳石、石笋、峰林等。岩溶地貌降落漏斗溶洞溶蚀平原降落漏斗内生长树木降落漏斗形成地面塌陷、造成灾害溶洞形成过程溶洞形成过程溶洞内钟乳石形成过程溶洞内钟乳石沉积岩溶地区因地下水渗流与溶蚀造成水库干枯广西龙州金龙水库主坝渗流与干枯现状【2003年5月】采用特种粘土固化浆液对金龙水库主坝注浆建造防渗加固帷幕【2003年5月－11月】桂林峰林云南石林溶洞塌陷黄石公园碳酸盐台地黄石公园溶洞喷泉及边缘碳酸盐沉积地下水工程危害地下水属于地层的重要组成部分之一。地下水的含量和渗流对地基岩土工程力学性质的影响很大，尤其是对岩土的强度和变形产生重要作用。地下水位下降【如过量抽取地下水】将引起地基承载力降低、不均匀沉陷、失效，直接影响工程正常安全运营、甚至导致破坏。地下水位上升将引起地基岩土盐渍化与返潮、基础浮托等。地下水渗流将引起地基岩土的渗透变形与破坏，直接影响工程的稳定与安全。地下水的冻、融灾害。地下水工程危害过量抽取地下水可造成海水倒灌、地基岩土盐渍化。地下水位上升将使地基无粘性土饱和度增大而变成可液化土层，在动荷载持续作用下发生砂土液化，引起地基承载力与强度降低、或失去承载力与强度降低。地下水可埋地对钢筋混凝土、生命线工程等产生腐蚀作用。灰岩或其它可溶盐岩地区的地下水将使地基发生溶蚀破坏作用，从而造成工程危害。有效应力原理地下水工程危害地下水的动水压力产生流砂与潜蚀。作业：推导土颗粒有效重度的计算式地下水工程危害承压水对基坑、隧道的破坏作用。如当隧道、深基坑周围有承压含水层时，必须分析承压水是否能够冲毁隧道衬砌、基坑四周与底部的地层，通常采用压力平衡法验算。地下水合理利用与地下水污染地下水的开采与利用必须合理。否则，过量开采地下水将形成降落漏斗，从而引起地下水位下降、地面沉降、海水倒灌等各种危害。地下水合理利用与地下水污染人类生活活动导致地下水污染。地下水合理利用与地下水污染城市垃圾堆放对地下水污染【固体垃圾渗透液对地下水污染】地下水合理利用与地下水污染过量开采地下水将引起海水倒灌。地下水合理利用与地下水污染