任务地下水的性质判别及对工程建设的影响课件

任务2地下水的性质判别及对工程建设的影响任务引入云南鹤剑兰高速隧道涌水地下水有哪些类型？物理性质与化学成分有哪些？对工程建设有什么影响？教学目标1.掌握并理解地下水的物理性质与化学成分；2.了解地下水运动的规律；3.掌握地下水对工程建设的影响。知识目标1.遵纪守法，爱岗敬业，具有社会责任感和参与意识；2.具有质量意识、绿色环保意识与安全意识；3.具有集体与团队合作精神，能进行沟通和协作。素质目标1.能区别判断地下水的物理性质与化学成分；2.能根据不同的工程概况确定防治地下水的工程措施。能力目标目录地下水的物理性质1地下水的化学成分2地下水运动规律3地下水对工程建设的影响4一、地下水的物理性质一、地下水的物理性质地下水的物理性质包括温度、颜色、透明度、嗅味、口味、导电性和放射性等。1.温度：地下水的温度主要受当地气温与地温变化的影响。变温带：地表受太阳辐射影响极薄的带，地温昼夜变化影响地表以下1-2m，下限深度为15-30m，地温年变化小于0.1℃。常温带：变温带以下一个厚度极小的地带。地温比当地年平均气温高出1-2℃。增温带：常温带以下，地温受地球内热影响，随深度加大而有规律地升高—增温带。深度每增加100m温度增加的值称为地热增温率（地温梯度）。温度每增加一度深度增加的值称为地热增温级。地下水按温度分为：非常冷水（＜0℃）、极冷水（0~4℃）、冷水（4~25℃）、温水（25~40℃）、温热水（40~60℃）与热水（60~100℃），热水可做能源与医疗使用。地区地层岩性地热增温极（m/℃）北京房山花岗岩体40内蒙石拐子侏罗纪砂页岩煤系地层31.2西藏羊八井热田花岗岩体0.33安徽卢江白垩纪毛坦厂组粗面角砾凝灰岩25华北平原第三纪泥岩、砂岩层20-50松辽平原白垩纪伏龙泉组砂岩夹泥岩层22-31.2我国部分地区地热增温极一、地下水的物理性质2.颜色：一般为无色的，当水中含有某些元素或含有较多的悬浮物质时，会带有各种颜色显得浑浊。

含有三价氧化铁时，水中呈褐红色；

含有氧化亚铁时，水中呈浅蓝色；含腐蚀质时，水中呈暗黄褐色；

含悬浮物时，颜色决定于悬浮物的颜色。3.透明度：多为透明的，含有矿物质、有机质及胶体悬浮物时，透明度改变。

透明的：水深60cm可见3mm的粗线。

微浑浊的：半透明的，水深30cm可见3mm的粗线。

浑浊的：微透明的，水深小于30cm可见3mm的粗线。

极浑浊的：不透明的，水深很小，也不能清楚看见3mm的粗线。测定方法：量筒（高100cm，直径3cm，+3mm黑十字粗线）一、地下水的物理性质4.嗅味：一般是无嗅无味，含有某种气体和有机质时，会产生一定的气味。

含H2S—翠绿色—臭鸡蛋气味；

含Fe3+—淡蓝色—铁腥味；

含腐殖质—暗黄色—鱼腥味；5.口味：主要取决于地下水中的化学成分与气体。含H2CO3有甜味；NaCl有咸味；Na2SO4有涩味；MgCl2、MgSO4有苦味；H2S与碳酸气同时存在有酸味；含CO2则味美可口；含有机质则有甜味。

6.导电性：导电性强弱取决于所含的电解质的含量与性质。7.放射性：地下水中因含放射性元素而具有的物理特性。

地下水在不同程度上都具有放射性，但一般地下水的放射性极微弱。把富集放射性元素的地下水称为“放射性水”,其中放射性元素含量须达到:氡大于1.85×105Bq·m-3;铀大于1.11×109Bq·m-3;镭大于3.7×102Bq·m-3。二、地下水的化学成分二、地下水的化学成分1.地下水主要气体成分

氧（O2）、氮（N2）：起源于大气圈，随降水入渗进入含水层。

二氧化碳（CO2）：来源于土壤层中有机质残骸发酵、植物呼吸；碳酸盐岩地层在深部高温下变质生成、化工燃料使用。

硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）：来源于（1）封闭环境下的有机质与微生物参与的生物化学过程，如成煤过程、成油过程，SO42-→H2S；（2）地壳深部的变质作用与火山作用2.地下水主要离子成分(七种)阴离子：HCO3-、SO42-、Cl-

阳离子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+二、地下水的化学成分3.地下水主要离子成分来源

低矿化度水中常见离子：HCO3-、Ca2+、Mg2+，常来源于沉积盐岩、岩浆岩与变质岩的风化溶解；

高矿化度水中常见离子：Cl-、Na+、K+，常来源于沉积盐岩（钠盐、钾盐）的溶解、变质岩的风化溶解，海水影响，人为污染；

中等矿化度水中常见离子：SO42-，常来源于沉积盐岩溶解、金属硫化物的氧化、火山喷发、H2S气体氧化、人类燃烧煤产生大量S02，S02氧化后形成，大气中SO42-过高时，会降“酸雨”。二、地下水的化学成分4.地下水的矿化度：地下水中各种离子、分子与化合物的总量称为矿化度，以g/L表示；计算方法：（1）105~110℃温度下，水样烘干后的干涸残余物质，单位g/L，mg/L（ppm）。（2）用全分析试验结果中的阴阳离子总和减1/2HCO3-含量求算。

低矿化度的水：以HCO3-为主；

中等矿化度的水：以SO42-为主；

高矿化度的水：以Cl-为主。

高矿化度的水能降低水泥混凝土的强度，腐蚀钢筋，故拌合混凝土时不能使用。

按矿化度分类水的类别淡水微咸水（低矿化水）咸水（中等矿化水）盐水（高矿化水）卤水矿化度（g/L）＜11-33-1010-50＞50二、地下水的化学成分5.地下水的pH值：pH值表示水的酸碱度，pH值大多在6.5-8.5之间。6.地下水的硬度：水的硬度是指水中Ca2+、Mg2+的含量的多少。总硬度：指未煮沸时Ca2+、Mg2+的总含量。

暂时硬度：指煮沸时水中一部分Ca2+、Mg2+因失去CO2生成沉淀碳酸盐而使

水失去的Ca2+、Mg2+的含量。

永久硬度：指经煮沸后仍留在水中的Ca2+、Mg2+的含量，也就是总硬度与暂时硬度之差。按pH分类PH值＜55-777-9＞9水的类型强酸性水弱酸性水中性水弱碱性水强碱性水试验方法：pH试纸酸度仪按硬度分类水的类别极软水软水较硬水硬水极硬水硬度Ca2+、Mg2+的物质的量＜1.5×10-31.5×10-3~3.0×10-33.0×10-3~6.0×10-36.0×10-3~9.0×10-3＞9.0×10-3德国度＜4.24.2-8.48.4-16.816.8-25.2＞25.2三、地下水运动规律三、地下水运动规律1.达西定律：1852-1856年间，法国科学家达西通过大量试验发现，地下水运动的线性渗透定律，称为达西定律。单位时间内通过筒中砂的水流量Q与渗透长度L成反比，与圆筒的过水断面面积A、上下两测压管的水头△h成正比。Q=FK△h/L，Q=FKI，v=KI式中：I—水头梯度，I＝△h/L，渗透流程中单位长度的损失；

v—渗透速度，v=Q/F，代表单位时间单位过水断面上的流量。表明渗透速度和水头梯度I的一次方成正比，说明水的运动是层流运动，此即达西渗透层流运动的定律。三、地下水运动规律2.达西定律适用范围达西定律适用于在任何方向的层流状态运动的地下水。3.达西定律中各项参数的含义（1）渗透速度v＝nu，式中：n—岩石的孔隙度。（2）渗透系数K从达西定律v=KI可知，渗透系数与渗透速度单位相同，令I＝1，则：v=K。

渗透系数的大小取决于岩石本身的物理性质，渗透系数越大，岩石的透水能力愈强。渗透系数可以通过试验确定，在室内可以通过达西仪测定，在野外常用渗水试验方法测定或抽水试验的方法测定。四、地下水对工程建设的影响四、地下水对工程建设的影响1.地下水位变化引起地基沉降(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，引起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)城市大面积抽水时在水井周围形成降水漏斗，使周围建筑物或地下管线产生不均匀沉降，甚至开裂。固原雨后路面塌陷遵义路面塌陷(2019.6.19)遵义路面塌陷(坑内)人工降低地下水位-钻孔抽取地下水导致建筑物不均匀沉降四、地下水对工程建设的影响2.地下水渗透产生流沙和潜蚀(1)流砂：是砂土在渗透水流下产生的流动现象。1）产生的条件：

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。2）危害：主要发生在颗粒级配均匀的饱和细、粉砂和粉土层中，发生是突发性的，造成地表塌陷或建筑物地基破坏。3）处理方法：①人工降低地下水位；

②打板桩；

③冻结法；

④水下挖掘。钢板桩施工现场人工降低地下水位施工现场四、地下水对工程建设的影响2.地下水渗透产生流沙和潜蚀(2)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。由人类工程活动所引起的这种现象，又叫管涌。2)化学潜蚀：指地下水溶解土中的易溶盐分，使土粒间的结合力和土的结构破坏，土粒被水带走，形成洞穴的作用。3）防治方法：①堵截地表水流入土层

②阻止地下水在土层中流动

③设置反滤层，改造土的性质四、地下水对工程建设的影响3.地下水的浮托作用(1)定义：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均布向上的静水压力，称为地下水的浮托力。(2)地下水浮托力计算方法1)如果基础位于粉性土、砂性土、碎石土和裂隙发育的岩石地基上，则按地下

水位100%计算浮托力;2)如果基础位于裂隙不发育的岩石地基上，则按地下水位50%计算浮托力;3)如果基础位于粘性土地基上，其浮托力较难确切地确定，应结合地区的实践

经验考虑。四、地下水对工程建设的影响4.基坑涌水现象指基坑底部承压水隔水顶板厚度因基坑开挖而变薄后，不足以抵抗承压水头压力作用时，承压水头压力冲破基坑底板的工程地质现象。基坑突发涌水现象不仅破坏了地基强度，给施工带来困难，而且给拟建工程留下安全隐患。贵州地铁1号线溶洞基坑涌水（2014.8）四、地下水对工程建设的影响5.地下水的侵蚀性地下水的侵蚀性主要体现为含有侵蚀性CO2或含有SO42-的地下水，会产生对混凝土、可溶性石材、管道及金属材料的侵蚀危害。桥梁基础、隧道或地下洞室衬砌和边坡支挡建筑物，长期与地下水接触，强度降低，结构遭到破坏，使混凝土开裂破坏。

结晶型侵蚀：当地下水中SO42-含量大于250mg/L时，SO42-与建筑物基础混凝土中的Ca(OH)2反应生成含水石膏晶体，当含水石膏晶体再与水化铝酸钙反应生成水化硫铝酸钙，水化硫铝酸钙含有大量结晶水，体积膨胀，内应力增大，导致混凝土开裂。

分解型侵蚀：当地下水中CO2时，会对建筑物基础混凝土具有侵蚀性。当地下水CO2含量较高时，水中的CO2与混凝土中的Ca(OH)2完全反应后剩余的CO2就会与混凝土成分中CaCO3发生反应生成Ca(HCO3)2，使混凝土遭到腐蚀。四、地下水对工程建设的影响6.路基翻浆病害（1）定义：是指发生在季节性冰冻地区的春融时节，以及盐渍、沼泽等地区，由于土基中含水过多，排水不畅，强度急剧降低，经行车重复作用，路基发生的弹簧、裂缝、冒浆、车辙等现象。（2）路基翻浆产生的原因及条件l）土质粉性土具有最强的冻胀性，最容易形成翻浆，构成了冻胀与翻浆的内因。2）水3)气候4)行车荷载5）养护四、地下水对工程建设的影响6.路基翻浆病害（2）防治路基翻浆的工程措施1）做好路基