工程地质培训讲义-地下水.pptx

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1、第5章 地下水水的循环大气水、地表水和地下水之间不间断的运动和相互转化的过程。第一节 地下水概述 一、岩石的空隙特征和地下水储存（一）岩石的空隙性所有的岩石都有空隙，没有空隙的岩石是不存在的，岩石的空隙是地下水储存场所和运动的通道。空隙性：是指由于岩石的性质和受力作用的不同，空隙的形状、多少、连通性与分布等方面的性质分类：孔隙、裂隙、溶隙重要概念：孔隙度：)(n 孔隙度%100 1.孔隙 主要存在于松散岩石中，为颗粒或颗粒集合体之间的空隙它反映了岩石储存地下水的能力影响因素：a、岩石的密实程度：越密实，孔隙度越小b、颗粒的均匀性：越不均匀（分选性差），孔隙度越小（主要因素）c、颗粒的形状：颗粒

2、越浑圆，孔隙度越小d、颗粒的胶结程度：胶结程度越好，孔隙度越小松散岩石的总体积空隙的体积差。衡量指标：裂隙率%100)(Kr 岩石的总体积 裂隙率2.裂隙坚硬的岩石在内外地质应力的作用下因岩石破裂而产生的空隙。它反映了岩石储存地下水的能力裂隙一般呈现裂缝状，具有明显的不均匀性和方向性只有当不同方向的裂隙相互连通，构成裂隙网络时，裂隙才能成为地下水储存场所和运动通道。裂隙的连通性比孔隙的连通性裂隙的体积3.溶隙可溶性的岩石在水流的溶蚀作用下形成的空隙。反映岩石储存地下水的能力的指标。可溶性的岩石：石灰岩、白云岩、石膏、硬石膏、盐层等。溶隙：溶洞、地下暗河、竖井、落水洞100%溶隙的体积岩石的总体

3、积衡量指标：岩溶率 岩溶率(KK)特点：连通性好，岩溶率变化大（二）地下水的存在形式岩石空隙中的水：结合水（吸着水、薄膜水）、重力水、毛细水、固态水和气态水。1.气态水：水蒸气状态。不能直接被利用，也不能被作物吸收，但通过自身的迁移和蒸发凝结可以改变地下水的分布。2.结合水：由于静电引力作用，吸附在岩石颗粒表面的水。根据结合的紧密程度的不同，结合水可分为吸着水和薄膜水吸着水（强结合水）：吸附在岩石颗粒的表面较近处。特点：a、水在岩石颗粒表面结合非常紧密，吸附力达10000个大气压，近似于固态，不同于一般的液态水。b、很难用机械的方法把它与颗粒分开，只有当空气中的饱和差很大或105才能将他们分开

4、c、不受重力支配，不能溶解盐类，不能导电、不能传递静水压力d、密度大，2.0g/3e、水量小，不能被植物吸收f、具有极大的粘滞性和弹性薄膜水（弱结合水）：吸附在岩石颗粒的表面较远处。特点：a、水分子离岩石颗粒表面越远，结合力越小。b、当空气相对湿度达到饱和时，能将他们分开c、不受重力支配，不能导电、不能传递静水压力d、密度和普通水差不多，但具有极大的粘滞性e、有较低的溶解盐能力结合水的含量取决于岩石颗粒的表面积，岩石颗粒越细，颗粒的表面越大，结合水含量约大；反之，越小。3.毛细水（半自由水）：存在于细小的裂隙和孔隙中的水，不受颗粒表面的静电应力影响，但受表面张力和重力影响4.重力水：（研究的主

5、要对象）在重力作用下能自由活动的地下水5.固态水（冰）透水性指岩石透过水的能力（由于有相互连通的空隙）透水性取决于：岩石空隙的大小；孔隙的多少及形状；颗粒的分选程度。颗粒越大，分选性越好，透水性越强；反之，越差。衡量指标：渗透系数K（重要的水文地质参数）透水岩石-砂、砾石、卵石、裂隙和溶隙发育的坚硬岩石半透水岩石-粉质粘土、粉土、黄土、裂隙和溶隙不太发育的坚硬岩石不透水岩石-粘土、淤泥、裂隙和溶隙不发育的坚硬岩石 （三）含水层和隔水层分类：含水层和隔水层含水层：贮存有地下水的透水层。隔水层：孔隙和裂隙少而小，相对不透水的岩层。含水层的基本条件a、岩层具有容纳重力水的空隙（先决条件）b、有储存和

6、聚集地下水的地质条件空隙岩层下有隔水层，使水不能下漏水平方向有隔水阻挡，以免水全部流空地下水的来源渗透水大气降水冰雪溶水地表水渗入地下聚集的水凝结水水蒸气凝结后渗入地下的水埋藏水地史时期沉积物空隙中被封闭保存下来的水，又称古水原生水岩浆中析出的结晶水和水汽又称岩浆水第二节、地下水的基本类型（一）地 下 水 按 埋 藏 条 件 分 类（二）地 下 水 按 含 水 层 性 质 分 类114-15 （一）地下水按埋藏条件分类及其特征潜水包气带水承压水是指存在于地面以下包气带中的水。包气带水(1)水量不大，但季节性变化强烈。(2)补给区和分布区是一致的。(3)一般矿化度低，但水质最易受污染。(4)所含

7、的上层滞水水量不大，但其常常是引起土质边坡滑坍，地基、路基沉陷、冻胀等病害的重要因素。包气带水包括土壤水和上层滞水主要特征：潜水指埋藏于地表以下，第一个稳定隔水层之上具有自由水面的饱水带中的重力水。潜水面的特征 潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。潜水面的起伏经常与地形一致，只是比地形起伏平缓一些；潜水面与地表面的形态具有相似性。当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓；当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。潜水面的起伏经常与地形一致，只是比地形起伏平缓一些；潜水面与地表面的形态具有相似性。地表地形的影响当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓；含水层厚度的影响当岩层透水性变好

8、，潜水面坡度变缓。岩层透水性的影响 潜水等水位线图潜水等水位线图是根据所在地区各水文地质点（井、钻孔、试坑和泉等），在大致相同的时间内所测得的潜水面的水位标高编制而成的。I ABH A H BAB潜水等水位线图的用途反映潜水与地表水的相互关系；确定潜水的埋藏深度；如有隔水层顶板标高，可以确定含水层的厚度可以确定潜水的流向及潜水面的水力坡度；潜水的补给含水层中地下水从外部（如大气降水、地表水等）获得大量补充的过程称为地下水的补给。潜水的补给大气降水;地表水的补给；潜水的补给大气降水河流补给潜水潜水的补给地表水的补给 潜水的排泄蒸发;泉的排泄；向地表水排泄；人为排泄。潜水的排泄泉潜水补给河流潜水的

9、排泄向地表水排泄承压水埋藏并充满在两个隔水层之间的含水层中具有承压性质的地下水，是一种有压重力水。（a）等水压线图；（b）水文地质剖面(a)(b)图 6111-地形等高线；2-承压含水层顶板等高线；3-等水压线 ；4承压水位线；5-承压水流向；6-自流区；7-井；8-含水层；9-隔水层；10-干井；11-非自流井；12-自流井如图中A点：地形标高103m，承压水位91m，含水层顶板标高83m。则承压水位埋深为：1039112m承压水头为:91838 m含水层埋深为：1038320m承压水等水位线图可确定下列重要指标：承压水位埋深 承压水头大小 含水层埋深（初见水位）承压水的补给大气降水；地表水

10、；潜水。承压水的补给大气降水当补给区位于河床地带时，地表水才可以成为补给来源。承压水的补给地表水当承压含水层补给区位于潜水之下，潜水可以泄入承压含水层中构成其补给源。承压水的补给潜水 承压水的排泄向潜水排泄;泉的排泄；向地表水排泄。当排泄区上有潜水存在时，则可以排泄入潜水中。承压水的排泄潜水当侵蚀面下切达到承压含水层时，就以泉水形式排泄。承压水的排泄泉导水断层切断含水层时，沿断层带，承压水也可以泉的形式排泄。承压水的排泄泉河谷下切至含水层，则承压水向地表水排泄。承压水的排泄地表水 承压水的径流径流条件的好坏与地形条件、含水层的透水性、补给区与排泄区的水位差、承压含水层的挠曲程度等有关。裂隙水及

11、岩溶水裂隙水埋藏在基岩裂隙中的地下水按成因分为：风化裂隙水、成岩裂隙水、构造裂隙水风化裂隙水特征：多为层状裂隙水；水平方向透水性均匀，垂直方向随深度减弱；多属潜水，也有上层滞水；大气降水补给；明显季节性循环交替；常以泉的形式排泄成岩裂隙水特征：岩浆岩中成岩裂隙水发育多为层状裂隙水，在一定范围内互相连通；多属潜水，也可是承压水；构造裂隙水特征：构造应力分布均匀，形成层状构造裂隙水；构造应力分布不均匀，形成脉状构造裂隙水可以是潜水，也可是承压水渗透性各向异性；脉状裂隙水层桩裂隙水岩溶水赋存和运移于可溶岩（如石灰岩、白云岩、大理岩、石膏、岩盐等）的溶隙溶洞（洞穴、管道、暗河）中的地下水，又称喀斯特水

12、。按埋藏条件分为：岩溶上层滞水、岩溶潜水、岩溶承压水特点：是分布极不均匀在可溶性岩层裸露于地表的补给区，入渗补给有两种方式：灌式补给，渗入式补给岩溶水可通过一个泉或泉群集中排泄；而补给区则成为地表水缺乏，岩溶水又埋得很深的缺水地区。岩溶水水位动态变化幅度大而且变化快。岩溶泉往往雨季流量急增，而雨后又骤减，无压水流与承压水流并存，层流与紊流并存，以层流为主。岩溶含水系统一般水量丰富、水质优良，常作大中型供水源。位于岩溶水分布地区的矿坑，容易产生突然大量涌水，甚至造成淹矿事故。5.2.5 泉地下水天然露头，是地下水或含水层通道露出地表形成的，是地下的主要排泄方式之一泉的类型按补给源分为：包气带泉

13、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)潜水补给，动态稳定，有季节性变化规律侵蚀泉按出露条件分为自流水泉(上升泉)接触泉溢出泉承压水补给，动态稳定，年变化不大5.3 地下水的性质5.3.1 地下水的物理性质温度受气候和地质条件控制，01000C颜色取决于化学成分及悬浮物，含Ca2+、Mg2+的水为蓝色；含Fe2+的水为灰蓝色；含Fe3+的水为褐黄色透明度地下水多为半透明气味含有气体或有机质，具有一定气味。味道主要取决于地下水化学成分。含Nacl有咸味；含CaCO3的水清凉可口；含Ca(OH)2和Mg(HCO)2的水有甜味；含Mgcl2和MgSO4，有苦味导电性含有一些电解质

14、时，导电性增强盐类溶解度盐类溶解度盐类溶解度NaCl350NaSO450Na2CO3193.9KCl290MgSO4270MgCO30.1MgCl2558.1CaSO41.9CaCO30.18CaCl2731.95.3.2地下水的化学特征主要离子成分阳离子：H+、Na+、K+、NH4+、Ca2+、Mg2+、Fe2+。阴离子：OH-、Cl-、SO42-、NO2-、NO3-、HCO3-、CO32-、SiO32-、PO42-其中最多的是Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Cl-、SO42-、HCO3-地下水中常见盐类的溶解度（00C，g/L）4.Cl 来源于沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解；岩浆岩中

15、含氯矿物的风化溶解；海水；火山喷发物的溶滤；工业、生活污水及粪便中大量氯5.SO42-来源于含石膏或其它硫酸盐的沉积岩的溶解；硫和硫化物的氧化6.HCO3-来源于含碳酸盐类沉积物岩的溶解；岩浆岩和变质岩中含铝硅酸盐矿物的风化溶解1.Na+、K+来源于含钠盐、钾盐的沉积岩的溶解；岩浆岩和变质岩中含钠、钾矿物的风化溶解2.Ca2+来源于含钙碳酸盐类沉积物和石膏沉积物的溶解；岩浆岩和变质岩中含钙矿物的风化溶解3.Mg2+来源于含镁碳酸盐类沉积物岩；岩浆岩和变质岩中含镁矿物的风化溶解主要气体成分O2、N2、CO2及H2S以入渗补给为主，与大气圈关系密切的地下水含O2、N2较多地下水处在与大气隔绝的环境

16、中，当有机质存在时，SO4还原生成H2S ，如封闭地质构造的油田水中浅部地下水：植物根系的呼吸作用及有机质残骸的发酵作用，会在包气带水中形成CO2 ，深部地下水：含碳酸盐类的岩石，在深部高温影响下，会分解生成CO2 ，近代工业的发展，人为产生的有CO2显著增加主要胶体成分以碳、氢、氧为主的有机质通常以胶体方式存在于地下水中；很难以离子状态溶于水的化合物也以胶体形式存在于地下水中，主要有Fe(OH)2、Al(OH)3、SiO2类别德国度类别德国度极软水4.2硬水16.825.2软水4.28.4极硬水25.2微硬水8.416.8酸碱度氢离子浓度PH值来衡量强酸性水PH9 ；硬度取决于水中Ca2+、

17、Mg2+的含量总硬度水中所含的总量暂时硬度水煮沸后，水中一部分Ca2+、Mg2+与HCO3-作用生成CaCO3和MgCO3沉淀，这部分Ca2+、Mg2+的总量永久硬度总硬度暂时硬度碳酸盐硬度地下水中HCO3-与Ca2+、Mg2+含量相当的总量1德国度1L水中含有10mg的CaO类别总矿化度(g/L)类别总矿化度(g/L)淡水1盐水(高矿化水)1015微咸水(弱矿化水)13卤水15咸水(中等矿化水)310地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量(g/L)矿化度习惯上以1051100C时将水灼干所得的干涸残余物总量叫总矿化度地下水按总矿化度的分类5.4 地下水对建筑工程的影响概述地下水对土木工程建

18、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。5.4 地下水对建筑工程的影响概述5.4 地下水对建筑工程的影响概述离降水井点距离(m)3510203141地面沉降量(mm)104.52.52105.4 地下水对建筑工程的影响5.4.1地下水位下降引起软土地基沉降在软土层中进行深基础施工时，往往需要人工降低地下水，降水措施不当，会引起周围地基土层固结沉降，造成邻近建筑物或地下管线不均匀沉降，或导致建筑物基础下的土粒流失，导致建筑物开裂（动画）上海康乐路

19、十二层大楼，采用箱基础，开挖深度微5.5m，采用钢板桩外加井点降水，抽水6天后，各沉降观测点的沉降量降水期间，距基坑610m处，旧民房有裂缝。5.4.2 动水压力产生流土和潜蚀H1Z1Z2H2 动水压力将土中细小颗粒冲走，形成空洞。5.4.2 动水压力产生流土和潜蚀流土(流砂)土颗粒间有效应力为0，处于悬浮状态。动水压力土有效重度 wds 11efd wIfd Icr ds 11e临界水力坡度机械潜蚀基准面IcrKI I容许水力坡度4.防止流砂的措施流砂对岩土工程危害很大，所以在可能发生流砂的地区应尽量利用其上面的土层作天然地基，也可利用桩基穿透流沙层。总之，应尽量避免水下大开挖施工。若必须时

20、，可以利用下列方法防治流砂：1)人工降低地下水位将地下水位降至可能产生流沙的地层以下，然后再开挖。2)地下连续墙或板桩其目的一方面是加固坑壁，另一方面是改善地下水的迳流条件，即增长渗流途径，减小地下水力梯度和流速。3)坑内注水，水下开挖在基坑(或沉井)中用机械在水下挖掘，避免因排水而造成产生流砂的水头差，为了增加砂的稳定，也可向基坑中注水并同时进行挖掘。4)采用土中灌浆或水泥搅拌桩通过土中灌浆或水泥搅拌桩来构成防水帷幕，以防止地下水流入。5)其它方法处理流砂的方法还有冻结法、化学加固法、爆炸法及加重法等。在基槽开挖的过程中局部地段出现流砂时，立即抛入大块石等，可以克服流砂的活动。5.4.3 地

21、下水的浮托作用当地下建筑设施或建筑物的基础底面位于地下水位以下时，地下水对其产生浮力作用；浮力大小，依据地基岩土性质：1、粉土、砂土、碎石土、节理裂隙发育的岩石100%浮力；2、节理裂隙不发育的岩石50%浮力；3、粘性土地基难确定，结合地区经验。HMMHwH粘土层承压含水层5.3.4 承压水对基坑稳定的影响在有深部承压水层的地基中进行深基坑开挖时，要考虑开挖导致的局部隔水层的厚度减小的不利影响，防止隔水层较薄经受不住承压水头压力作用而被承压水冲破。承压水的水头压力冲破基坑底板这种工程地质现象称为基坑突涌抽水井H.K wM.MK.wHw 粘土层承压含水层要使基坑开挖安全，必须基坑底部粘土层厚度含

22、水层顶板承压水头或降水使得1.结晶类腐蚀5.4.5 地下水对混凝土的腐蚀地下水中含有的化学成分对地下建筑材料如混凝土等具有腐蚀作用腐蚀类型SO42-Ca(OH)2CaSO4.2H2OCaO.Al2O3.6H2O水化硫铝酸钙2.分解类腐蚀Ca(OH)2CO2CaCO3+H2O当CO2含量超过一定数值CaCO3CO2Ca+2HCO3-3.结晶分解复合类腐蚀环境类别气候区土层特性干湿交替冰冻区高寒区干旱区半干旱区直接临水，强透水土层中的地下水，或湿润的强透水层有混凝土不论在地面或地下，无干湿交替作用，其腐蚀性强度比有干湿交替作用时相对降低混凝土不论在地面或地面下，当受并处于严重冰冻区、冰冻区、微冰冻区高寒区干旱区半干旱区弱透水土层中的地下水，或湿润的强透水层有湿润区半湿润区直接临水，强透水土层中的地下水，或湿润的强透水层有各气候区弱透水土层无不冻区腐蚀性评价标准1.将SO42-离子的含量归纳为结晶类腐蚀性的评价指标2.将CO2 、HCO3-离子和PH值归纳为分解类腐蚀性的评价指标3.将Mg2+、NH4+、Cl、SO42-、NO3-离子含量归纳为结晶分解复合类腐蚀性的评价指标混凝土侵蚀场地环境类别潮或浸水时；本章结束上一页返回退出