工程地質(zhì)課件：第五章地下水

1、土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 第五章 地下水5 5.1 地下水概述 5.2 地下水的類型 5.3 地下水的物理與化學(xué)性質(zhì) 5.4 地下水運動的基本規(guī)律 5.5 地下水對土木工程的影響土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 5.1 地下水概述 地下水是賦存于地表以下巖層空隙中的各種不同形式水的統(tǒng)稱。 5.1.1 巖石中的空隙 根據(jù)巖土空隙的成因不同，可分為孔隙孔隙、裂隙裂隙和溶隙溶隙三大類(圖5-1).圖5-1 巖土中的空隙a) 分選良好，排列疏松的砂 b) 分選良好，排列緊密的砂 c) 分選不良，含泥砂的礫石 d) 部分膠結(jié)的砂

2、巖 e) 具有裂隙的巖石 f) 具有溶隙的可溶巖土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 1. 1. 孔隙孔隙 孔隙孔隙：巖土顆粒之間的空隙。 孔隙度孔隙度：孔隙的發(fā)育程度，又稱孔隙率。式中n 孔隙度vn 巖土中孔隙的體積V 包括孔隙在內(nèi)的巖土總體積%100=vvnn 孔隙度的大小主要取決于巖土的密實程度取決于巖土的密實程度及分選性分選性。此外，顆粒形狀和膠結(jié)程度對孔隙度也有影響。土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 2. 2. 裂隙裂隙 裂隙裂隙：巖石受地殼運動及其他內(nèi)外地質(zhì)應(yīng)力作用影響產(chǎn)生的空隙。 裂隙的發(fā)育程度除與巖石的受力條件有關(guān)

3、，還與巖性有關(guān)。式中kT 裂隙率vT 巖石中裂隙的體積V 包括裂隙在內(nèi)的巖石總 體積%100=vvkTT成巖裂隙成巖裂隙分化裂隙分化裂隙構(gòu)造裂隙構(gòu)造裂隙裂隙按成因分類裂隙按成因分類 裂隙的發(fā)育程度用裂隙率裂隙率表示：土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 3. 3. 溶隙溶隙 溶隙溶隙：可溶性巖石(白云巖、石灰?guī)r等)經(jīng)過地下水流長期溶蝕作用而形成的空隙。 溶隙的發(fā)育程度用溶隙率溶隙率表示：式中kK 溶隙率vK 可溶巖中溶隙的體積V 可溶巖體積%100=vvkKK土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 5.1.2 巖土的水理性質(zhì)巖土與水接觸

4、時，控制水分儲存和運移的性質(zhì)。巖巖土土水水理理性性質(zhì)質(zhì)容水性容水性持水性持水性給水性給水性透水性透水性常壓下，巖石空隙能夠容納一定水量的性能。飽水巖石在重力作用下排水后，依靠分子力和毛細(xì)管力仍然保持一定水分的能力。飽水巖石在重力作用下能夠自由排出水的性能。巖土允許水透過的性能。土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 5.1.3 含水層與隔水層形成條件形成條件有較大且連通的穿隙與隔水層組合形成儲水空間有充分的補給來源含水層含水層能夠透過并能給出相當(dāng)數(shù)量水的巖土層。隔水層隔水層不能透過或給出水，或者透過或給出的水?dāng)?shù)量微不足道的巖土層。土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU G

5、ONG CHENG DIZHI 5.2 地下水的類型含水層空隙性質(zhì)孔隙水(松散沉積物孔隙中的水)裂隙水(堅硬基巖裂隙中的水)巖溶水(可溶巖溶隙中的水)上層滯水包氣帶中局部隔水層上的重力水，主要是季節(jié)性存在裸露于地表的裂隙巖層淺部季節(jié)性存在的重力水裸露的巖溶化巖層上部巖溶通道中季節(jié)性存在的重力水潛水各類松散沉積物淺部的水裸露于地表的各類裂隙巖層中的水裸露于地表的巖溶化巖層中的水承壓水山間盆地及平原松散沉積物深部的水組成構(gòu)造盆地、向斜構(gòu)造或單斜斷塊的被掩覆的各類裂隙巖層中的水組成構(gòu)造盆地、向斜構(gòu)造或單斜斷塊的被掩覆的巖溶化巖化巖層中的水埋藏條件表5-1 地下水分類表 5.2.1 地下水埋藏類型包氣

6、帶包氣帶飽水帶飽水帶地面以下巖土層地面以下巖土層地下水面以上地下水面以下土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 1. 1. 上層滯水上層滯水 指在包氣帶內(nèi)局部隔水層上積聚的具有自由水面的重力水稱為上層滯水，也可稱包氣帶滯水(圖5-2)。圖5-2 包氣帶水和潛水示意圖A 包氣帶水 B 潛水 h 潛水面的埋藏深度 H 潛水厚度 上層滯水的動態(tài)很不穩(wěn)定。2. 2. 潛水潛水 潛水是埋藏于地面以下第一個穩(wěn)定隔水層之上具有自由水面的重力水 。潛水的自由水面為潛水面；潛水面上任一點的高程為該點的潛水位；自地面某點至潛水面的距離為該點潛水的埋藏深度；從潛水面至隔水底板的距離為潛水

7、含水層厚度(圖5-2)。土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 大氣降水大氣降水地表水地表水潛水的潛水的補給來源補給來源凝結(jié)水凝結(jié)水深層地下水深層地下水最主要的補給來源徑流排泄徑流排泄蒸發(fā)排泄蒸發(fā)排泄?jié)撍臐撍呐判古判购畬又畬又g的排泄間的排泄以泉、滲流等形式泄出地表或流入地表水通過包氣帶或蒸發(fā)進入大氣通過導(dǎo)水?dāng)鄬?、天窗越流排泄?jié)撍任痪€圖潛水等位線圖：潛水面上高程相等各點的連線(圖5-3a)。土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 圖5-3 潛水等位線圖及水文地質(zhì)剖面圖1砂土 2 粘土 3 地形等高線 4 潛水等位線 5河流及流

8、向 6潛水流向 7 潛水面 8下降泉 9鉆孔(剖面圖) 10鉆孔(平面圖) 11 鉆孔編號 12剖面線土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 確定潛水流向確定潛水流向確定潛水的水力坡確定潛水的水力坡度度潛水等潛水等位線的位線的用途用途確定潛水與地表水之間的關(guān)系確定潛水與地表水之間的關(guān)系確定潛水的埋藏深度確定潛水的埋藏深度3. 3. 承壓水承壓水充滿于兩個穩(wěn)定隔水層之間的含水層中的重力水。(圖5-4a、b)。沒有自由水面，并承受一定的靜水壓力。受外界的影響相對要小，動態(tài)變化相對穩(wěn)定。特征特征不易受地面污染，一般可做良好的供水水源。水質(zhì)類型多樣，變化大。土 木 工 程

9、地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 圖5-4 承壓含水層1含水層 2 隔水層 3 自流井 4 非自流井 5干井 6潛水位 7 承壓水位 8地下水流向 9上升泉 A補給區(qū) B 承壓區(qū) C排泄區(qū) D自流區(qū) h 承壓水位埋深 M承壓含水層厚度 H1 初見水位 H2 承壓水位 H承壓水頭 OO基準(zhǔn)面土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 等水壓線圖：等水壓線圖：承壓水面上高程相等點的連線圖(圖5-5)。圖5-5 等水壓線圖及水文地質(zhì)剖面圖a) 等水壓線圖 b)水文地質(zhì)剖面圖1地形等高線圖 2 頂板等高線 3等水壓線 4 承壓水位線 5承壓水流向 6自流區(qū) 7

10、 井 8含水層 9隔水層 10干井 11 非自流井 12自流井土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 確定承壓水流向確定承壓水流向確定初見水位確定初見水位承壓水承壓水等水壓等水壓線圖的線圖的用途用途確定承壓水埋深確定承壓水埋深確定承壓水頭大小及水力坡度確定承壓水頭大小及水力坡度 5.2.2 不同巖土介質(zhì)中的地下水1. 1. 孔隙水孔隙水埋藏于松散巖土孔隙中的重力水。山前傾斜平原孔隙水山前傾斜平原孔隙水河谷地區(qū)孔隙水河谷地區(qū)孔隙水按松散沉積按松散沉積物的成因類物的成因類型及地貌條型及地貌條件差異劃分件差異劃分沖積平原孔隙水沖積平原孔隙水山間盆地孔隙水山間盆地孔隙水黃土

11、地區(qū)孔隙水黃土地區(qū)孔隙水沙漠地區(qū)孔隙水沙漠地區(qū)孔隙水土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 典型的沖洪積扇，自出山口至平原沿著縱向可分為三個水文地質(zhì)帶。深埋帶深埋帶、溢出帶溢出帶和垂直交替帶垂直交替帶(圖5-6)。圖5-6 洪積物中地下水分布示意圖深埋帶 溢出帶 垂直交替帶 1 礫卵石 2砂 3粉質(zhì)粘土及粉土 4 基巖 5水位土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 2. 2. 裂隙水裂隙水埋藏于基巖裂隙中的地力水。埋藏分布極不均勻透水性各個方向呈各向異性特征特征動力性質(zhì)比較復(fù)雜風(fēng)化裂隙水風(fēng)化裂隙水成巖裂隙水成巖裂隙水分類分類構(gòu)造裂構(gòu)造裂隙

12、水隙水主要接受大氣降水的補給，常以泉的形式排泄于河流中。以分布不均勻、水力聯(lián)系不好分布不均勻、水力聯(lián)系不好為其特征。在各種地下工程中，構(gòu)造裂隙水的涌水量、水位、水溫與水質(zhì)往往變化很大。這是由于構(gòu)造裂隙的分布密度、方向性、張開性、延伸性極不均一所造成的。 土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 3. 3. 巖溶水巖溶水賦存和運移于可溶巖的地下水。巖溶上層滯水巖溶上層滯水巖溶潛水巖溶潛水巖溶水巖溶水分類分類巖溶承壓水巖溶承壓水 巖溶水的分布主要受巖溶作用規(guī)律的控制受巖溶作用規(guī)律的控制。 5.2.3 泉 地下水在地表的天然露頭叫泉天然露頭叫泉，人工露頭稱為井人工露頭稱為井

13、。泉是地下水的一種重要的排泄方式。是可以直接用作工業(yè)和生活供水的重要水源。土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 上升泉上升泉根據(jù)補給源及水流特征分下降泉下降泉侵蝕泉侵蝕泉接觸泉接觸泉斷層泉斷層泉冷泉冷泉溫泉溫泉根據(jù)泉水出露原因分根據(jù)泉水溫度分為承壓水補給，在出露口附近是自下而上運動。為潛水及上層滯水補給，在出露口附近是自上而下運動。侵蝕下降泉(圖5-7a)侵蝕上升泉(圖5-7b)泉水溫度大致相當(dāng)于或略低于當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?。泉水溫度高于?dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁亍６嘤缮顚幼粤魉a給。與巖漿活動和地下深處地?zé)岬挠绊懹嘘P(guān)。透水性不同的巖層接觸，地下水流受阻沿接觸面出露地表(圖5-7c

14、)。地下水沿斷層面上升，在地面高程低于承壓水位處出露成泉(圖5-7d)。泉泉水水分分類類土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 圖5-7 泉的形成土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 5.3 地下水的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì) 5.3.1 地下水的物理性質(zhì)溫度溫度顏色顏色透明度透明度地地下下水水物物理理性性質(zhì)質(zhì)氣味氣味味道味道導(dǎo)電性導(dǎo)電性變化范圍較大一般為無色透明、微渾、渾濁、極渾濁。多半是透明。一般是無味主要取決于地下水的化學(xué)成分當(dāng)含一些電解質(zhì)時，導(dǎo)電性增強，也受溫度影響。土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 5

15、.3.2 地下水的化學(xué)性質(zhì)1. 1. 地下水常見的化學(xué)成分地下水常見的化學(xué)成分主要離子主要離子地地下下水水化化學(xué)學(xué)成成分分陽離子：陽離子：H+、Na+ 、K+ 、NH5+ 、 Mg2+ 、Ca2+ 、Fe2+等。陰離子：陰離子：OH- 、Cl- 、SO42- 、NO2- 、NO3- 、HCO3- 、CO32- 、SiO32- 、PO52-等。主要氣體主要氣體O2 、 N2 、 CO2 、 H2S。膠體成分膠體成分以碳、氫、氧為主的有機質(zhì)，經(jīng)常以膠體方式存在于地下水中。很難以離子狀態(tài)溶于水的化合物也往往以膠體狀態(tài)存在地下水中，其中分布最廣的是Fe(OH)2 、Al(OH)3及SO2。土 木 工

16、程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 2. 2. 地下水的化學(xué)性質(zhì)地下水的化學(xué)性質(zhì)(1) (1) 酸堿度酸堿度氫離子濃度氫離子濃度是指水的酸堿度，用pH值表示。水的類別表5-2 地下水按pH值分類強酸性水弱酸性水中性水弱堿性水強堿性水pH值10.0(2) (2) 礦化度礦化度地下水中各種離子、分子與化合物的總量稱礦化度。分類表5-3 地下水按礦化度分類淡水弱堿水堿水鹽水鹵水礦化度/(g/L)50土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI (3) (3) 硬度硬度水中鈣、鎂離子的含量稱為水的硬度?？傆捕瓤傆捕葧簳r硬度暫時硬度永久硬度永久硬度水加熱沸騰后所

17、損失的Ca2+、Mg2+含量。水加熱沸騰后仍然保持在水中的Ca2+、Mg2+含量。分類表5-4 地下水按總硬度分類極軟水軟水微硬水硬水極硬水總硬度9.0mmol/L德國度25.2土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 5.4 地下水運動的基本規(guī)律層流：層流：地下水運動時，水質(zhì)點有秩序地呈相互平 行而互不干擾的運動。湍流：湍流：水質(zhì)點相互干擾而呈無秩序的運動，稱湍 流(也稱紊流)。圖5-8 滲透實驗裝置kAJLHkALHHkAQ=12或kJAQv=(5-4) 5.4.1 線性滲透定律 Darcy定律土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 式

18、中Q 滲流量(m3/d或cm3/s);A 過水?dāng)嗝婷娣e(m2或cm2);H 水頭損失(m或cm);L 滲流距離(m或cm);k 滲透系數(shù)(m/d或cm/s);J 水力坡度；v 滲流速度(m/d或cm/s) 式(5-4)表明，滲流速度與水力坡度的一次方成正比，故Darcy定律又稱為線性滲透定律。 5.4.2 非線性滲透定律 當(dāng)?shù)叵滤趯挻蟮目障吨幸韵喈?dāng)快的速度運動時，呈現(xiàn)湍流。此時，滲透服從A.Chezy定律。即滲透速度與水力坡度的1/2次方成正比。Jkv =(5-6)土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 5.5 地下水對土木工程的影響 5.5.1 地下水位下降引起

19、的地基沉降 在松散沉積巖岐中進行深基礎(chǔ)施工時，往往需要人工降低地下水位。若降水不當(dāng)，會使周圍地基土層產(chǎn)生固結(jié)沉降，輕都造成鄰近建筑物或地下水管線的不均勻沉降；重者使建筑物基礎(chǔ)下的土顆粒流失，甚至掏空，導(dǎo)致建筑開裂等不良事故。 5.5.2 動力壓力產(chǎn)生的流砂現(xiàn)象 地下水自下向上滲流，當(dāng)向上的滲流力克服了土體向下的重力，則土體發(fā)生浮起而處于懸浮狀態(tài)失去穩(wěn)定，土粒隨之流動。這種現(xiàn)象稱為流砂流砂。 此現(xiàn)象多發(fā)生在飽和粉細(xì)砂以及粉土層中。一般是突發(fā)性，對工程危害很大。土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 人工降低地下水位人工降低地下水位打板樁打板樁水下挖掘水下挖掘其它如化學(xué)

20、加固法、凍結(jié)法、爆炸法、其它如化學(xué)加固法、凍結(jié)法、爆炸法、加重法等。加重法等。處理流處理流砂方法砂方法 5.5.3 管涌現(xiàn)象和潛蝕作用 在滲透水流作用下，土中的細(xì)顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動，以至流失；隨著土的孔隙不斷擴大，滲透速度不斷增加，較粗的顆粒也相繼被水流逐漸帶走，最終導(dǎo)致土體內(nèi)形成貫通的滲流管道，造成土體塌陷，這種現(xiàn)象稱為管涌。管涌破壞一般有個時間發(fā)展過程，是一種漸進性質(zhì)的破壞。通過壩基的管涌通過壩基的管涌土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 在自然界中，在一定條件下同樣會發(fā)生上述滲透破壞作用，為了與人類工程活動所引起的管涌相區(qū)別，通常稱之為潛蝕潛蝕。潛

21、蝕作用有機械機械的和化學(xué)化學(xué)的兩種。這兩種作用往往是同時存在的。 土中粗顆粒所構(gòu)成的孔隙直徑必須大于細(xì)顆粒的直徑，一般不均勻系數(shù)10的土才會發(fā)生管涌管涌管涌發(fā)生發(fā)生條件條件在滲流逸出部位鋪設(shè)反濾層是防止管涌破壞的有效措施。降低水力梯度，如打板樁。防治防治管涌管涌滲流力能夠帶動細(xì)顆粒在孔隙間滾動或移動幾何條件：幾何條件：水力條件：水力條件：幾何條件：幾何條件：改變水力條件：改變水力條件：改變幾何條件：改變幾何條件：土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 5.5.4 承壓水對基坑產(chǎn)生的基坑突涌 基坑突涌基坑突涌：當(dāng)基坑下伏有承壓含水層時，開挖基坑所留底板經(jīng)受不住承壓水頭

22、壓力作用而被承壓水頂裂或沖毀的現(xiàn)象。 隔水層安全厚度：HMWgg(5-7)式中H 承壓水頭(m);g W 水的重度(kN/m3);g 土的重度(kN或cm3);土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 圖5-9 基坑底粘土層最小厚度圖5-10 抽水降低承壓水頭 防止基坑突涌，可對承壓水層進行預(yù)先排水，以降低承壓水頭(圖5-10)。降低后的基坑中心承壓水位Hw必須滿足下式：ggMwHw則ggMwHw(5-8)土 木 工 程 地 質(zhì) TUMU GONG CHENG DIZHI 5.5.5 地下水對鋼筋混凝土的腐蝕1. 1. 結(jié)晶類腐蝕結(jié)晶類腐蝕地下水中SO42-混凝土中Ca(OH)2二水石膏結(jié)晶體CaSO42H2O水化鋁酸鈣CaOAl2O36H2O水化硫鋁酸鈣(水泥桿菌)結(jié)合了許多結(jié)晶水，體積約比原來增大221.86%,在混凝土中產(chǎn)生很大的應(yīng)力，破壞混凝土的結(jié)構(gòu)。2. 2. 分解類腐蝕分解類腐蝕 地下水