工程地質(zhì)06第六章地下水

1、1/65第六章第六章 地下水地下水 第二節(jié) 地下水的水質(zhì) 第三節(jié) 地下水的類(lèi)型 第四節(jié) 地下水的運(yùn)動(dòng)主要內(nèi)容第五節(jié) 地下水與工程建設(shè)第一節(jié) 地下水的概念 2/65賦存在地表以下巖土空隙中的水。巖土的空隙:1. 松散沉積物中的孔隙孔隙2. 堅(jiān)硬巖石中的裂隙裂隙3. 可溶性巖石中的溶隙溶隙連通性好分布不均勻連通性差第一節(jié) 地下水的概念3/65水在巖土中的存在形式：結(jié)合水： 強(qiáng)結(jié)合水 弱結(jié)合水非結(jié)合水：液態(tài)水 毛細(xì)水 重力水 固態(tài)水 氣態(tài)水4/65巖土的水理性質(zhì):1. 含水性 容水度容水度:巖土孔隙完全被水充滿時(shí)的含水量。 持水度持水度:巖土在重力作用下釋水時(shí)仍能保持的含水 量。這部分滯留在巖土中的

2、水為結(jié)合水和 毛細(xì)水。2. 給水性 巖土在重力作用下能自由排出的含水量。 給水度=容水度持水度3. 透水性 巖土可透過(guò)水的性能，用滲透系數(shù)表示。5/65含水層含水層(aquifer)： 給出并透過(guò)相當(dāng)水量的巖土層。隔水層隔水層(interlayer)： 不透水但可含水的巖土層。滯水層滯水層：弱透水的巖土層。含水層的形成條件：巖土層有較大空隙；為隔水層所限； 有補(bǔ)給來(lái)源。6/65第二節(jié) 地下水的水質(zhì) 化學(xué)性質(zhì) pH值 礦化度 硬度 氣體成分 O2 H2S CO2 離子成分 Cl- SO4 HCO3- Na+ K+ Ca+2 Mg+27/65地下水對(duì)建筑材料的腐蝕性溶出侵蝕：混凝土中Ca(OH)2

3、成分被水溶解。碳酸侵蝕：含侵蝕性CO2的水溶解混凝土中的鈣質(zhì)而使 混凝土崩解。硫酸鹽侵蝕：水中SO4-2與混凝土作用生成新的化合物， 由于體積膨脹而脹裂。酸性侵蝕：pH值低的酸性水對(duì)混凝土具腐蝕性。鎂鹽侵蝕：水中鎂鹽與混凝土作用后生成化合物溶解于 水。8/65第三節(jié) 地下水的類(lèi)型 圖 6-2 地下水的類(lèi)型9/65地下水埋藏類(lèi)型 圖 6-1 地下水埋藏示意圖1承壓水位; 2潛水位; 3隔水層; 4含水層; A-承壓水井;B-自流水井;C-潛水井10/65上層滯水( perch ground water )包氣帶中聚集在局部隔水層之上的重力水。特征特征：接近地表，接受大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)形式或 向

4、隔水底板邊緣排泄。動(dòng)態(tài)變化很不穩(wěn)定。工程意義工程意義：常始料不及涌入基坑。 供水意義不大。 在寒冷地區(qū)易引起道路凍脹和翻漿。11/65潛水( phreatic water ) 圖 6-3 地下水埋藏示意圖1沙層; 2隔水層; 3含水層; 4潛水面; 5基準(zhǔn)面T-潛水埋藏深度;M-含水層厚度;H-潛水位 埋藏在地面以下第一個(gè)穩(wěn)定隔水層之上具自由水面的重力水。 特征特征:與大氣相通，具自由水面，補(bǔ)給區(qū)與分布區(qū)一致，動(dòng)態(tài)受氣候影響較大。潛水面形狀受地形影響。12/65潛水等水位線圖可解決如下問(wèn)題：1 確定潛水流向2 確定潛水的水力坡度3 確定潛水的埋藏深度4 確定潛水與地表水的關(guān)系 虛線潛水等水位線

5、 實(shí)線地形等高線13/65潛水與地表水的關(guān)系潛水補(bǔ)給河流潛水補(bǔ)給河流河流補(bǔ)給潛水河流補(bǔ)給潛水單側(cè)補(bǔ)給單側(cè)補(bǔ)給 圖 6-6 潛水與地表水之間的關(guān)系( a )( b )( c )14/65承壓水 ( pressure water )充滿于兩個(gè)隔水層之間的含水層中承受水壓力的重力水。A補(bǔ)給區(qū) B承壓區(qū) C排泄區(qū) 圖 6-7 自流盆地剖面圖15/6516/65 特征：不具自由水面，并承受一定的水頭壓力。分布區(qū)和補(bǔ)給區(qū)不一致。動(dòng)態(tài)變化較穩(wěn)定。不易受地面污染。承壓含水層局部H1初見(jiàn)水位 H2承壓水位H承壓水頭 h承壓水位埋深 17/65承壓水等水位線圖(a) (b) 圖 611 （a）等水壓線圖；（b）水

6、文地質(zhì)剖面1-地形等高線；2-承壓含水層頂板等高線；3-等水壓線 ；4承壓水位線；5-承壓水流向；6-自流區(qū)；7-井；8-含水層；9-隔水層；10-干井；11-非自流井；12-自流井18/65如圖中A點(diǎn)：地形標(biāo)高103m，承壓水位91m，含水層頂板標(biāo)高83m。則承壓水位埋深為：1039112m 承壓水頭為: 91838 m 含水層埋深為：1038320m承壓水等水位線圖可確定下列重要指標(biāo)： 承壓水位埋深 承壓水頭大小 含水層埋深（初見(jiàn)水位）19/65武漢市（漢口）水文地質(zhì)剖面長(zhǎng)江一級(jí)階地土層厚3050m典型二元結(jié)構(gòu)K隨深度呈對(duì)數(shù)增大上部黏性土中潛水下部砂礫石中承壓水20/65上游 河床中砂礫石

7、，是良好的含水層。中游 河漫灘沉積有上細(xì)（粉細(xì)砂、黏性土）下粗（砂礫）的二元結(jié)構(gòu)，上層構(gòu)成隔水層，下層為承壓含水層。下游 濱海平原上為潛水，埋藏淺不利于工程建設(shè)，下部多層承壓含水層。不同含水層空隙中的地下水 沖積物中的孔隙水21/65 洪積物中的孔隙水潛水深埋帶潛水溢出帶潛水下沉帶22/65裂隙水按成因：風(fēng)化裂隙水成巖裂隙水構(gòu)造裂隙水按埋藏條件：面狀裂隙水層間裂隙水脈狀裂隙水23/65巖溶水特點(diǎn)：空間分布極不均勻，動(dòng)態(tài)變化強(qiáng)烈，流動(dòng)迅速，排泄集中。24/65按水頭性質(zhì)分：1. 上升泉2. 下降泉按出露原因分：1. 侵蝕泉2. 接觸泉3. 斷層泉泉：地下水在地表的天然露頭25/65第四節(jié) 地下水

8、的運(yùn)動(dòng) 滲透流速 V=Q/A 實(shí)際流速 u=Q/A Vu 滲流 過(guò)水?dāng)嗝?A26/65 水力坡降 JdH/dL27/65 流網(wǎng)：由等水頭線與流線正交組成的網(wǎng)格28/65 均勻流：滲流速度沿流程不變。 非均勻流：滲流速度沿流程變化。 層流：水質(zhì)點(diǎn)有秩序地呈相互平行而互不干擾的運(yùn)動(dòng)。 紊流：水質(zhì)點(diǎn)相互干擾而呈無(wú)秩序的運(yùn)動(dòng)。 穩(wěn)定流：滲流要素不隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)。 非穩(wěn)定流：滲流要素隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)。滲流分類(lèi)滲流分類(lèi)29/65Darcy定律：QKAJ 或VKJ (線性)式中 Q滲流量m3/d或cm3/s； A過(guò)水?dāng)嗝?K滲透系數(shù)m/d或cm/s， 表征巖土透水性能大小的指標(biāo)。 還與水的粘滯性有關(guān)。 V

9、滲透流速m/d或cm/s Darcy定律適合于層流（砂土）。 地下水 運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律30/65紊流（礫石土）運(yùn)動(dòng)規(guī)律：VKJ1/2 (非線性)黏性土運(yùn)動(dòng)規(guī)律：VK（J-Jo） 式中Jo為起始水力坡降31/65滲透系數(shù)的確定：1. 據(jù)土的粒度分析資料計(jì)算.2. 室內(nèi)測(cè)定 1) 常水頭試驗(yàn)（適用于砂土） 2) 變水頭試驗(yàn) （適用于黏性土）3. 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定 1) 滲水試驗(yàn) 2) 抽水試驗(yàn)32/65 室內(nèi)常水頭滲透試驗(yàn) AtlHkkIAtqtQHAtQlk由達(dá)西公式：得土樣的滲透系數(shù)為：圖 619 常水頭滲透試驗(yàn)33/65 室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn) dhadQAdtlhkkIAdtqdtdQAdtlhkadh

10、 thhdtalkAhdh021talkAhh21ln21lnhhAtalk 圖 620 變水頭滲透試驗(yàn)34/65現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn) dxdyxykQ2HhRrydykxdxQ2)(lg732. 0)(ln2222hHrRQhHrRQk圖 621 潛水完整井抽水試驗(yàn)示意圖 35/65地下水涌水量的計(jì)算Q2KAJ2KL)(2(00RhHhH地下水向完整滲溝的流動(dòng)：36/65地下水向不完整滲溝的流動(dòng)：dxdyxkq1) 含水層厚度有限單側(cè)流量:分離變量并積分，x從c至c+R，y從0至H，得：2ccRHkqln2)含水層厚度無(wú)限計(jì)算同上,但37/65井的類(lèi)型：按其揭露含水層的類(lèi)型分：潛水井、承壓井按進(jìn)水條

11、件分：完整井、非完整井地下水向井的穩(wěn)定流動(dòng) 圖 624 井的類(lèi)型示意圖 a潛水完整井；b、c、d潛水非完整井；e承壓水完整井；f、g 承壓水非完整井38/65潛水完整井QKAJ2Kxydxdy分離變量并積分，x從rw至R，y從hw至H，得：wWWwwrRSSHKrRhHKQlglg)2(366.1lglg366.12239/65承壓水完整井QKAJ=2KxMdxdy分離變量并積分后，得：wWwwrRMSKrRhHMKQlglg73.2lglg)(73.2 圖 625 地下水向承壓水井的流動(dòng)40/65基坑涌水量計(jì)算:把基坑假想為圓形大井,其引用半徑: Fr0F基坑面積41/65第五節(jié) 地下水與工

12、程建設(shè)1. 地面沉降2. 地面塌陷3. 流砂4. 管涌5. 浮托作用6. 基坑突涌7. 對(duì)混凝土的侵蝕性42/65基坑突涌隔水層的安全厚度：0HHW0HHw據(jù)得若不滿足上述厚度，需降水，使基坑中心承壓水位降深滿足：HSHW ）（0則：HHSW043/65 滲透變形 (seepage deformation)管涌：?jiǎn)蝹€(gè)土顆粒發(fā)生獨(dú)立移動(dòng)的現(xiàn)象。 多發(fā)生在不均勻的砂礫土中。流土：一定體積的土粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象。 多發(fā)生在均質(zhì)砂土層和粉土層中。44/651998 洪水漏洞漏洞14%14%脫坡脫坡16%16%管涌管涌50%50%跌窩跌窩1%1%散浸散浸3%3%崩岸崩岸5%5%其他其他11%11%跌窩

13、跌窩散浸散浸崩岸崩岸其他其他漏洞漏洞脫坡脫坡管涌管涌45/65 隱患與險(xiǎn)情隱患與險(xiǎn)情46/6547/65武漢丹水池堤防搶險(xiǎn)48/65上海軌道交通4號(hào)線事故 2003年7月1日凌晨4點(diǎn)，正在施工中的上海市地鐵四號(hào)線區(qū)間隧道浦西聯(lián)絡(luò)通道發(fā)現(xiàn)滲水，隨后出現(xiàn)大量流沙涌入，引起地面大幅沉降；上午九點(diǎn)左右，地面建筑八層樓房發(fā)生傾斜，其裙房部分倒塌。由于報(bào)警及時(shí)，所有人員均已提前撤出，因而無(wú)人員傷亡，受其影響的周?chē)鷺欠坷锏氖忻駛円惨讶砍烦?。臨江花園大廈臨江花園大廈 （傾斜（傾斜10） 裙裙 房房 倒倒 塌塌49/65搶險(xiǎn)方案： 對(duì)軌道交通4號(hào)線區(qū)間隧道進(jìn)行封堵，解除了因險(xiǎn)情對(duì)整個(gè)隧道區(qū)間的威脅 向地下采取

14、注漿壓漿技術(shù)減少地下流沙的涌動(dòng)，保護(hù)周邊地區(qū)的建筑 拆除受險(xiǎn)情影響的大樓及裙房用注漿機(jī)不停地把水泥漿注入地下，加固地面地基，提高地基承載力 潛水員身穿 70kg 潛水 服，潛入地下進(jìn)行封堵， 確保大廈地基不滲水采用傳統(tǒng)方式拆除破壞樓房7月2日50/657月月3日新險(xiǎn)情日新險(xiǎn)情 受地面沉降影響，董家渡外馬路段長(zhǎng)約30米的防汛墻，發(fā)生沉陷、傾斜、開(kāi)裂。此時(shí)，正值上海汛期開(kāi)始，上千名武警官兵奉命緊急出動(dòng)，用沙袋和身軀，在浦江邊筑起“U”字型圍堤，將長(zhǎng)江抗洪的經(jīng)典場(chǎng)景再現(xiàn)！武警官兵火速奔赴現(xiàn)場(chǎng)搶險(xiǎn)救災(zāi)武警官兵分幾隊(duì)，一組負(fù)責(zé)裝沙，一組負(fù)責(zé)沙包傳遞武警官兵有的拋填沙包筑堤，有的跳進(jìn)黃浦江排險(xiǎn)堵漏。51/

15、65給沙堤內(nèi)側(cè)安置大型鋼制樁給沙堤內(nèi)側(cè)安置大型鋼制樁24小時(shí)筑起長(zhǎng)160m，高2m，伸入黃浦江約10m的弧形臨時(shí)堤壩，控制了險(xiǎn)情52/65建于1989年71米高265米長(zhǎng)1993年8月7日垮壩死亡300余人滲透破壞: 青海溝后水庫(kù)的潰口溝后水庫(kù)沙礫石面板壩失事實(shí)錄53/65Teton 壩壩（美國(guó)）（美國(guó)）概況：土壩，高90m，長(zhǎng)1000m，建于1972-75年，1976年6月失事?lián)p失：直接8000萬(wàn)美元，起訴5500起，2.5億美元，死14人，受災(zāi)2.5萬(wàn)人，60萬(wàn)畝土地，32公里鐵路原因：滲透破壞水力劈裂54/651976年6月5日上午10:30左右，下游壩面有水滲出并帶出泥土。Teton

16、壩壩（美國(guó)）（美國(guó)）55/651111：0000左右洞口不斷擴(kuò)大并向壩頂靠近，泥水流量增加Teton 壩壩（美國(guó)）（美國(guó)）56/6511:30洞口繼續(xù)向上擴(kuò)大，泥水沖蝕了壩基，主洞的上方又出現(xiàn)一滲水洞。流出的泥水開(kāi)始沖擊壩趾處的設(shè)施。Teton 壩壩（美國(guó)）（美國(guó)）57/6511：50左右洞口擴(kuò)大加速，泥水對(duì)壩基的沖蝕更加劇烈。Teton 壩壩（美國(guó)）（美國(guó)）58/6511:57 壩坡坍塌，泥水狂瀉而下Teton 壩壩（美國(guó)）（美國(guó)）59/6512：00過(guò)后坍塌口加寬Teton 壩壩（美國(guó)）（美國(guó)）60/65洪水掃過(guò)下游谷底，附近所有設(shè)施被徹底摧毀Teton 壩壩（美國(guó)）（美國(guó)）61/65失事現(xiàn)場(chǎng)目前的狀況Teton 壩壩（美國(guó)）（美國(guó)）62/65復(fù)習(xí)思考題1.何謂地下水？地下水的物理性質(zhì)包括哪些內(nèi)容？ 地下水的化學(xué)成分有哪些？2.地下水按埋藏條件可以分為哪幾種類(lèi)型？它們有何不 同？試簡(jiǎn)述之。3.地下水按含水層空隙性質(zhì)可以分為哪幾種類(lèi)型？它們 有何不同？試簡(jiǎn)述之。4試分別說(shuō)明潛水和承壓水的形成條件及工程特征。5根據(jù)埋藏情況裂隙水可分為哪幾種類(lèi)型？它們有何 特征？6. 試說(shuō)明地下水與工程建設(shè)的關(guān)系。63/65作作 業(yè)業(yè) 題題1.已知承壓水頭H0=4m，坑底隔水層厚度H=1.0m，土的重 度為2