工程地质课件：地下水及其对工程的影响

地下水及其对工程地质问题本章知识点【知识点】地下水储水条件，埋藏分类，地下水循环；渗透定律、地下水流向集水构筑物运动的计算，典型地貌区地下水分布特征，地下水对工程的各种作用和影响。【重点】地下水赋存特征及其运动特征及与之相关的不良工程地质作用。【难点】分析因地下水而引起的不良工程地质作用。

什么叫地下水1赋存和运移于地面以下岩石空隙中的水。狭义上指赋存于地下水面以下饱和含水层的水。

地下水的功能26.1地下水概述地下水是一种宝贵的资源地下水是地球内部地质演变的信息载体地下水是极其重要的生态环境因子地下水是一种很活跃的地质营力工程地质问题不良地质现象

岩土的空隙性1概念：将岩土空隙的大小、多少、形状、连通程度，以及分布状况等性质统称为岩土的空隙性。6.1地下水概述

岩土的空隙性1意义：是地下水赋存场所和运移通道，其多少、大小及其分布规律，决定着地下水的分布与运动特点6.1地下水概述分类：岩土空隙的成因不同孔隙裂隙溶隙概念：松散岩石（如粘土、砂土、砾石等）中颗粒集合体之间存在的空隙，称为孔隙。6.1地下水概述孔隙率（）：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积所占的比例。一、孔隙孔隙率的主要影响因素二、裂隙概念：存在于坚硬岩石中的裂缝状空隙，称为裂隙。——由内外地质营力作用产生。6.1地下水概述裂隙率（）：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中裂隙体积所占的比例。6.1地下水概述风化（卸荷）裂隙成岩裂隙构造裂隙6.1地下水概述三、溶隙概念：可溶性岩石在地表水和地下水长期溶蚀作用下形成的一种特殊空隙称为溶隙。6.1地下水概述溶隙率（）：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中溶隙体积所占的比例。11地下水及其对工程的影响

水在岩石中的存在形式2分类：可分为气态水、结合水、重力水、毛细水、固态水以及结晶水和结构水。6.1地下水概述A—强结合水;B–弱结合水;C–重力水毛细水含水层与含水岩系3一、基本概念含水层：可透过并给出相当数量重力水的岩层隔水层：不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩层透水层：能透过但不能储存水的岩层弱透水层：渗透性很差，给出的水量微不足道，但在较大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的岩层6.1地下水概述相对①岩层中要有空隙(储水空间)的存在，并充满足够数量的重力水；②重力水能够在岩层中自由运动；③要满足一定的地质构造条件（储水构造）。6.1地下水概述构成含水层的条件二、6.1地下水概述含水段和含水岩系三、含水段：在含水极不均匀的裂隙或岩溶发育的基岩地区含水的地段。含水岩组：将几个地层时代和成因特征相同的含水层(其间可夹有弱透水层或隔水层)划为同—含水岩组。含水岩系：将几个水文地质条件相近的含水岩组划为一含水岩系。地下水的物理性质1地下水比重、温度、颜色、透明度、味道、气味、导电性及放射性等物理特性的总和。6.2地下水物理性质和化学成分水中含有物质硬水低价铁高价铁硫化氢硫细菌锰含粘土含悬浮物质腐殖酸水的颜色浅兰灰兰黄褐翠绿红色暗红无荧光的淡黄色决定于悬浮物颜色暗黄、灰黄水中的物质及颜色地下水的气味与其中存在物质的水中存在物质H2SNaClFe2+腐植质气味腐蛋气味咸味铁腥气味沼泽气味地下水的化学成分26.2地下水物理性质和化学成分元素及成因成分水中元素富集条件化

学

元

素气

体火成活动，生物成因空气成因，化学成因放射性成因O2；N2、CO2、CH4、H2S，HCl、HF、H2S、SO3等；惰性气体Ar、Ne、He、Kr、Xe，Rn、Th、O3、N2O；SO2、SO3、Cl等；主要离子、分子微量元素(含量<10－3％)各

种

成

因Cl—、SO4-、HCO3－、CO3－、NO3－、Na＋，K＋、Ca2＋、Mg2+、H＋、NH4＋、H3SiO4、Fe2+、Fe3+及有物质等各种成因：在黄铁矿、铜矿及其它矿床氧化带中随pH值降低而发生的金属元素的富集，在油，气田和其它有机物聚积的地区中富集碘铵，富集金属元素，结晶岩地区地下水发生Li、F、Br，硅酸及其它微量元素富集作用Li、Be、F、Ti、V、Cr、Mn、CO、Ni、Cu、Zn、Ge、As、Se、Br、Rb、Sr、Zr、Nb、MO、Ag、Cd、Sn、Sb、I、Ba、W、Au、Hg、Pb、Bi，Tb、U、Ra等胶

体正

胶

体Fe(OH)3、A1(OH)3、Cd(OH)2、Cr(OH)3、Ti(OH)4、Zr(OH)4、Ce(OH)3

负

胶

体

粘性胶体、腐植质，Si02、MnO2、SnO2，V2O3、Sb2S3、PbS、As2S3等硫化物胶体有机质(细菌)生命代谢产物.生命死亡分解腐植酸和雷酸细菌等高分子有机化合物、腐植酸(雷酸C：44％；H：53％；O：40％；N：15％)、藻类介质、细菌、腐质物质、地沥青，酚、酞、脂肪酸，环烷酸注：此表引自沈照理主编的《水文地质学》，有改动地下水的化学性质36.2地下水物理性质和化学成分（1）总矿化度：指水中离子、分子和各种化合物的总量，以g/L表示。计算方法：按化学分析所得的全部离子、分子及化合物总量相加求得；将水样在105～110℃温度下蒸干后所得的干涸残余物的重量来表示。地下水的化学性质35.3地下水物理性质和化学成分（2）地下水的酸碱性（pH值）：以溶液中H＋浓度的负对数来表示溶液的酸碱性，称为溶液的pH值酸碱度、强酸性水弱酸性水中性水弱碱性水强碱性水pH值<55～777～9>9地下水按酸碱度的分类6.2地下水物理性质和化学成分地下水的化学性质35.3地下水物理性质和化学成分（3）地下水硬度：总硬度、暂时硬度、永久硬度地下水硬度分类表水的类型硬

度德国度meq／Lmol／L极软水软

水微硬水硬

水极硬水<4.24.2～8.48.4～16.816.8～25.2>25.2<1.51.5～3.03.0～6.06.0～9.0>9.0<7.5×10－47.5×104～1.5×1081.5×10－3～3×10－33×10－3～4.5×10－3>4.5×10－3表示方法：德国度、meq/L、mol/L当前国标采用的硬度单位是换算成CaCO3时的总量，用mg/l表示6.2地下水物理性质和化学成分6.3 地下水的类型及其主要特征地下水的垂直分带概述1划分依据——含水介质的类型（赋存空间）埋藏条件（赋存部位）5.4地下水分类

含水介质

类型

埋藏类型孔

隙

水(松散沉积物孔隙中的水)裂

隙

水(坚硬基岩裂隙中的水)岩

溶

水(可溶岩溶隙中的水)上层滞水包气带中局部隔水层上的重力水，主要是季节性存在裸露于地表的裂隙岩层浅部季节性存在的重力水裸露岩溶化岩层上部岩溶通道中季节性存在的重力水潜

水各类松散沉积物浅部的水裸露于地表的坚硬基岩上部裂隙中的水裸露于地表的岩溶化岩层中的水承压水山间盆地及平原松散沉积物深部的水组成构造盆地、向斜构造或单斜断块的被掩覆的各类裂隙岩层中的水组成构造盆地、向斜构造或单斜断块的被掩覆的岩溶化岩层中的水6.3 地下水的类型及其主要特征22上层滞水1分布于包气带中局部不透水层或弱透水层表面的重力水5.4地下水分类（一）形成条件（二）特点（三）工程意义（1）局部隔水层或弱透水层；（2）隔水层产状要水平，或接近水平；（3）隔水层分布有一定范围。（1）补给、径流与排泄特点（2）水量小，不稳定，季节变化明显；（3）埋藏浅，易蒸发，易污染，水质较差。（1）供水意义不大（2）使地基土的强度减弱；（3）易引起道路的冻胀和翻浆；（4）其水位变化大，常给工程带来困难。6.3 地下水的类型及其主要特征潜水2潜水是埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具有自由水面的重力水5.4地下水分类（一）基本术语（1）潜水面；（2）潜水位h；（3）埋藏深度D；（4）含水层厚度M（5）隔水底板（6）潜水面坡度基准面h6.3 地下水的类型及其主要特征潜水25.4地下水分类（二）特点（1）无压水（2）水动力特征在重力作用下，由高处向低处流动（3）分布区与补给区一致（4）水循环与动态特征积极参与水循环，易于补充恢复，易污染，易受影响（5）水质特征:主要取决于气候、地形及岩性条件6.3 地下水的类型及其主要特征潜水2潜水是埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具有自由水面的重力水5.4地下水分类（三）潜水面及其表示方法潜水等水位线图剖面图潜水等水位线图水文地质剖面图平面图用途影响因素地形、岩性、地表水体、人为因素、气候6.3 地下水的类型及其主要特征26潜水25.4地下水分类1）决定潜水流向2）求水力坡度3）潜水埋藏深度4）潜水与地表水的互补关系5）确定泉水点与沼泽的位置6）选取合理的给水、排水的位置地形等高线潜水位等高线BA潜水等水位线图用途6.3 地下水的类型及其主要特征潜水25.4地下水分类（四）潜水对工程的影响1.对建筑物稳定性有影响；2.施工中，地下水的影响主要是由潜水造成的，如流砂。3.重要的生活用水，农业灌溉水源。4.处理方案：

①建筑物地基最好选在潜水位深的地带或者使用浅埋基础；

②对地基的施工有影响时，可采取排水、降低水位，隔离或冻结法施工等措施。6.3 地下水的类型及其主要特征承压水3充满于上下两个稳定隔水层之间的含水层中的有压重力水5.4地下水分类（一）基本术语1）隔水顶底板2）含水层厚度3）初见水位4）承压水位5）水位埋深6）承压水头7）正、负水头当承压水位面高于地面时，承压水头称为正水头6.3 地下水的类型及其主要特征承压水35.4地下水分类（二）特点（1）具有承压性；（2）赋存特点：埋藏区与补给区不一致（3）补给特点；补给区具有潜水的特点（4）水循环交替动态特点：有限区域与外界联系，参与水循环不如潜水积极，动态稳定，具有多年调节性能。（5）水质特点：通常水质较好，水量稳定，不易受污染6.3 地下水的类型及其主要特征孔隙水4分布在第四纪各种不同成因类型的松散沉积物中的重力水。5.7不同介质中的地下水特点1．分布均匀，连续性好，水量也较大。2．成层状分布，水力联系密切，水交替条件较好，同一层水具有统一的水面；3．一般呈层流状态，符合达西定律；4．孔隙水的分布特征，直接受沉积物影响。主要含水层成因类型，详教材6.3 地下水的类型及其主要特征裂隙水5埋藏并运移于各种岩石裂隙中的地下水。5.7不同介质中的地下水分布不均匀——有的地方打井有水，有的地方无水水力联系不统一性——裂水含水系统的迭置与独立渗透的各向异性——KX≠KY特点：32裂隙水5分类：风化裂隙水、构造裂隙水、成岩裂隙水5.7不同介质中的地下水风化裂隙深度有限局部形成层状含水层动态变化大构造裂隙6.3 地下水的类型及其主要特征33象鼻山岩溶水6指储存和运动于可溶性岩石中的各种空洞、裂隙中的重力水5.7不同介质中的地下水CompanyLogo华北的大多数煤层，下伏O2灰岩水承压水头之高，带来开采风险巨大云南、广西、贵州省岩溶山区，缺水严重，阻碍发展，生活赤贫现象岩溶区的库水渗漏，处理困难在基本建设中，地下施工，隧道施工困难重重九马山6.3 地下水的类型及其主要特征岩溶水65.7不同介质中的地下水岩溶的特点：1)分布:极不均匀性

2)补给:落水洞、溶斗等直接流入或灌入地下

3)排泄:集中排泄

4)运动:复杂多样5)动态:水位、水量变化幅度大，对降水反映明显

6)水化学：水流交替条件良好，易被污染

6.3 地下水的类型及其主要特征（三）等水压线图（1）含义：

将许多钻孔揭露的承压水位相同的点连成线，叫等水压线，由等水压线组成的平面图即为等水压线图。（2）特点:

想象的面，虚构的线（3）用途同潜水①含水层埋藏深度②承压水位埋深③承压水头5.4地下水分类（四）对工程的影响（1)良好的城市供水水源。（2)基坑突涌。（3)排水比较困难，井深，范围广，水量大。6.3 地下水的类型及其主要特征地下水运动的基本规律16.4地下水运动

流网：由等水头线与流线正交组成的网格渗流

均匀流：渗流速度沿流程不变。非均匀流：渗流速度沿流程变化。层流：水质点有秩序地呈相互平行而互不干扰的运动。紊流：水质点相互干扰而呈无秩序的运动。稳定流：渗流要素不随时间变化的运动。非稳定流：渗流要素随时间变化的运动。地下水运动的基本规律15.5地下水运动与动态

渗透流速V=Q/A

实际流速u=Q/A’

V<u过水断面A6.4地下水运动地下水运动的基本规律1地下水在岩土空隙中的运动5.5地下水运动与动态（一）达西定律QOO’断面1断面2hH2H1LA

Q——渗流量A——过水断面面积

h——水头损失L——渗流途径

K——渗透系数I——水力坡度6.4地下水运动地下水向集水建筑物运动的计算二、5.5地下水运动与动态基坑开挖时，流入坑内的地下水和地表水如不及时排除，会使施工条件恶化、造成土壁塌方，亦会降低地基的承载力。施工排水可分为明排水法和人工降低地下水位法两种。6.4地下水运动施工降水在含水丰富的土层中开挖大面积基坑时，明沟排水法难以排干大量的地下涌水，当遇粉细砂层时，还会出现严重的翻浆、冒泥、涌砂现象，不仅基坑无法挖深，还可能造成大量的水土流失、边坡失稳、地面塌陷，严重者危及邻近建筑物的安全。基坑底低于地下水位时基底会不停的渗水遇有此种情况时应采用井点降水的人工降水方法施工3施工排水井点降水的作用3.2施工降水减小横向荷载防止流砂防止涌水稳定边坡防止塌方防止管涌防止地下水涌入基坑防止地下水的渗流引起边坡塌方消除地下水的水位差,防止坑底的管涌降水后,使板桩减少了横向荷载消除地下水的渗流,也就防止流砂现象降低地下水位后，还能使土壤固结，增加地基土的承载能力!基坑轻型井点降水3.2施工降水涉及地下水向集水建筑物运动的计算设计内容除进行井点系统的平面布置和高程布置外,尚应进行涌水量的计算，确定井管数量及井距，选择抽水设备等工作。地下水向集水建筑物运动的计算二、井的类型：按其揭露含水层的类型分：潜水井、承压井按进水条件分：完整井、非完整井井的类型示意图

a—潜水完整井；b、c、d—潜水非完整井；e—承压水完整井；f、g—

承压水非完整井6.4地下水运动S—水位下降深度；R—影响半径；r—井的半径；H—潜水含水层厚度潜水完整井裘布依理论1）含水层为均质、各向同性，等厚2）水流为平面径向流（流线指向井轴的径向直线，等水头面为以井为共轴的圆柱面）3）完整井，定流量抽水（通过各过水断面的流量处处相等，并等于抽水井的流量）4）抽水影响半径内，从含水层的顶面到底部任意点的水力坡度是一个恒值。分离变量并积分，x从r至R，y从h至H，得：其它参见教材地下水补给1指含水层从外界获得水量的过程。地下水补给、径流、排泄补给来源有：（1）大气降水（2）地表水（3）凝结水补给（4）人工补给（5）等含水层之间的补给地下水排泄2地下水的排泄指含水层失去水量的过程。地下水补给、径流、排泄（1）蒸发（2）泉水（3）向地表水泄流（4）人工排泄（开采）（5）含水层之间的补给地下水排泄2地下水补给、径流、排泄泉水侵蚀泉:h断层泉:i接触带泉:j下降泉侵蚀泉(a,b):地形切割到潜水面接触泉(c):

地形切割至隔水底板

溢流泉：水流在前方受阻，水位抬升，而溢流成泉(d,e,f,g)下降泉上升泉上升泉地下水径流3地下水由补给区流向排泄区的过程叫径流。地下水补给、径流、排泄（1）径流方向（2）径流速度（3）径流量51地基沉降16.5地下水的不良工程地质作用（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。地基沉降15.8地下水的不良工程地质作用由地下水位降低引起地基沉降的计算详见第六章-地面沉降……流砂26.5地下水的不良工程地质作用流砂：将因在向上的渗流力作用下，粒间有效应力为零时，颗粒群发生悬浮、移动的现象。主要发生在颗粒级配均匀的饱和细、粉砂和粉土层中。它的发生一般是突发性的，对工程危害极大（1）动水力大于土粒的浮重度（2）水力坡度大于临界水力坡度产生的条件：54流砂26.5地下水的不良工程地质作用危害：流砂—土体流动—地表塌陷或建筑物地基破坏。

“治流砂必先治水”。流砂防治的主要途径一是减小或平衡动水压力；二是截住地下水流；三是改变动水压力的方向。防治原则⑴枯水期施工法4流砂的防治枯水期地下水位低,基坑内外水位差小，动水压力也小，在流砂地区的深基坑运用枯水期施工法可避免或降低流砂的危害。流砂地区深基坑在枯水期抢挖施工防治方法6.5地下水的不良工程地质作用⑵打板桩4.3流砂的防治⑶

水中挖土将板桩沿基坑打入不透水层或打入坑底面一定深度,可以截住水流或增加渗流长度、改变动水压力方向，从而达到减小动水压力的目的。

即不排水施工。使坑内外的水压相平衡，不致形成动水压力。如沉井施工不排水下沉、进行水中挖土、水下浇筑砼。深基坑打板桩防止流砂产生水中挖土即采用井点降水法截住水流，不让地下水流入基坑,不仅可防治流砂和土壁塌方，还可改善施工条件。分段抢挖土方，使挖土速度超过冒砂速度，在挖至标高后立即铺竹、芦席，并抛大石块，以平衡动水压力，将流砂压住。此法适用于治理局部的或轻微的流砂。⑷人工降低地下水位法⑸抢挖并抛大石块法此外，采用地下连续墙法、止水帷幕法、压密注浆法、土壤冻结法等，都可以阻止地下水流入基坑，防止流砂发生。深基坑采用井点降水防止流砂发生4.3流砂的防治潜蚀36.5地下水的不良工程地质作用（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