地下水基本知識課件

地下水基本知識一、水文循環(huán)二、地下水賦存空間與巖土水理性質(zhì)三、地下水的物理性質(zhì)與化學(xué)成分四、地下水運動與規(guī)律五、地下水的分類六、地下水對工程建設(shè)的影響與防治地下水基本知識一、水文循環(huán)1地下水是埋藏在地表以下巖土孔隙、裂隙和溶隙中的水。它是地球水資源的重要組成部分和工農(nóng)業(yè)與生活的重要水源。在工程建設(shè)中，許多大小工程問題幾乎都與地下水的活動緊密相關(guān)。它與巖土相互作用，會使巖土的物理力學(xué)性質(zhì)逆化，降低巖土的強度和承載能力，產(chǎn)生各種不良的自然與物理地質(zhì)現(xiàn)象，給工程建筑的正常使用和工程建設(shè)的施工帶來危害。地下水是埋藏在地表以下巖土孔隙、裂隙和溶隙中的水。2一、水文循環(huán)

自然界中的水文循環(huán)包括地表水分循環(huán)和地下水循環(huán)。兩者相互聯(lián)系和影響，對地下水的形成和運動產(chǎn)生重要的影響。（一）地表水分循環(huán)

自然界的水分循環(huán)一般包括三個階段：降水、徑流和蒸發(fā)。根據(jù)水分循環(huán)的過程，可將水分循環(huán)分為大循環(huán)和小循環(huán)兩種類型。

一、水文循環(huán)31.大循環(huán)從海洋上蒸發(fā)的水氣被氣流帶到大陸上空，在適當(dāng)?shù)臈l件下又降落到地表。這種海陸間的水分交換的過程稱為大循環(huán)。大循環(huán)是全球性水分循環(huán)過程，其特點是海洋向大陸輸送水氣，而大陸向海洋注入徑流。2.小循環(huán)從海洋上蒸發(fā)的水氣，在海洋上空聚集成云，后又凝結(jié)成雨或雪落在海上，或從大陸蒸發(fā)的水氣和從海洋輸入內(nèi)陸的少量水氣在陸地上空凝結(jié)降落在大陸表面，稱為小循環(huán)。在海洋上進行的小循環(huán)稱為海洋小循環(huán)，而在陸地本身進行的局部循環(huán)稱為陸地小循環(huán)。1.大循環(huán)4大循環(huán)是由許多小循環(huán)組成的復(fù)雜過程。在陸地小循環(huán)較活躍的地區(qū)，蒸發(fā)的水氣量與降水量都較多，該地區(qū)地表水和地下水也較豐富。

大循環(huán)是由許多小循環(huán)組成的復(fù)雜過程。5（二）地下水文循環(huán)

地表與地下水可相互轉(zhuǎn)換形成地下水文循環(huán)。地下水循環(huán)包括徑流、補給和排泄三個環(huán)節(jié)。巖土層自外界獲得水量過程稱為補給；地下巖土層失去水量的過程稱為排泄。地下水在巖土層中的運動稱為徑流。下水均衡的基本方程：△Q=Q補-Q排若一個時期內(nèi)某地區(qū)地下水的儲量在減少，則表明該地區(qū)排泄量超過補給量，反之依然。在天然條件下如果觀測時間很長，而且又同時包括旱季和雨季，則該地區(qū)的補給和排泄量一般會大致相等，地下水存儲量的變化值為零。（二）地下水文循環(huán)6（三）我國地下水時空分布特點地下水時空分布和變化受氣候影響顯著。我國以大興安嶺—陰山山脈—賀蘭山—巴顏喀拉山—岡底斯山脈以東一線為界，劃分為季風(fēng)區(qū)和非季風(fēng)區(qū)。1.季風(fēng)區(qū)地下水受夏季風(fēng)影響巨大在季風(fēng)區(qū)內(nèi)，地下水分布的時空特性受季風(fēng)帶來降水的控制，來自海洋的偏南夏季風(fēng)是導(dǎo)致我國季風(fēng)區(qū)降水時空不均勻的主要原因。

2.非季風(fēng)區(qū)主要受高山冰雪融化影響我國非季風(fēng)區(qū)內(nèi)降水稀少，全年都比較干旱。地下水主要是因為西部高山冰雪融化水滲入地下形成的徑流所致。約占全國三分之一面積的西北地區(qū)深居內(nèi)陸，氣候干旱，地下水天然資源只占全國的約13%。

（三）我國地下水時空分布特點7二、地下水賦存空間與巖土水理性質(zhì)

（一）巖土中的空隙

地下水形成與存儲的基本條件是地下巖土層中具有相互聯(lián)系在一起的空隙，且地下水可以在這些空隙形成的空間中運動。地殼表層十余公里范圍內(nèi)或多或少都存在著空隙，特別是淺部范圍內(nèi)空隙分布較為普遍。這些空隙為地下水的賦存提供了必需的空間條件，既是地下水的儲存場所又是地下水的運移通道。巖土空隙的多少、大小、形狀、連通情況及其分布規(guī)律，決定著地下水的分布與運動規(guī)律。二、地下水賦存空間與巖土水理性質(zhì)8按空隙特征可分為孔隙、裂隙和溶隙：孔隙：組成巖土的顆粒或顆粒集合體之間的空隙。巖土的孔隙性采用孔隙度（或孔隙率）或孔隙比來度量。巖土中孔隙分布一般較均勻。裂隙：在漫長的構(gòu)造地質(zhì)作用過程中，巖石會發(fā)生破壞，從而形成裂隙。巖石的裂隙性采用裂隙率度量。巖石中裂隙受地質(zhì)構(gòu)造控制，分布一般不均勻。溶隙：可溶性巖石如巖鹽、石膏、石灰?guī)r、白云巖和大理巖等，在水的溶解和溶蝕等巖溶作用下產(chǎn)生的空洞。溶隙的發(fā)育程度采用巖溶率來度量。溶隙的大小規(guī)模相差懸殊，分布極不均勻。按空隙特征可分為孔隙、裂隙和溶隙：9（二）巖土的水理性質(zhì)巖土的水理性質(zhì)是指巖土與水相互作用所表現(xiàn)出來的性質(zhì)。這里僅介紹與巖土儲存水性質(zhì)有關(guān)的巖土水理性質(zhì)。1.容水性巖土能容納一定水量的性質(zhì)稱為巖土的容水性，采用容水度來度量，它是指巖土空隙容納水的體積與巖土總體積之比，以小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示。當(dāng)巖土空隙被水完全充滿即巖土飽和時，巖土的容水度在數(shù)值上與巖土空隙率（包括孔隙率、裂隙率和巖溶率）基本相等。在實際工程中，常常會遇到巖土的容水度小于或大于空隙率的情況。2.持水性在重力作用下，巖土依靠分子引力和毛細(xì)力在其空隙中能保持一定水量的性質(zhì)，稱為巖土的持水性。采用持水度來度量，它是指在重力作用下，巖土空隙中所能保持水的體積與總體積之比。（二）巖土的水理性質(zhì)10持水度分為毛細(xì)和分子持水度：

①毛細(xì)持水度：毛細(xì)管空隙被水充滿時，毛細(xì)水體積與巖土總體積之比。

②分子持水度：巖土所能保持的最大結(jié)合水體積與總體積之比。3.給水性在重力作用下，含水的巖土能自由排出一定水量的性質(zhì)，稱為巖土的給水性。采用給水度來度量，它是指巖土在重力作用下能自由排出水的體積與總體積之比。值得注意，一般巖土給水度的最大值等于容水度與持水度之差。持水度分為毛細(xì)和分子持水度：11三、地下水的物理性質(zhì)與化學(xué)成分

（一）地下水的化學(xué)成分

地下水中主要離子成分地下水中主要氣體成分地下水中的膠體成分與有機質(zhì)描述地下水化學(xué)性質(zhì)的主要指標(biāo)：氫離子濃度（pH值）、礦化度和硬度

（二）地下水的物理性質(zhì)地下水的物理性質(zhì)包括比重、溫度、顏色、透明度、氣味、味道、導(dǎo)電性及放射性等。研究這些性質(zhì)不僅可以了解地下水的特征，還可以用來推斷地下水的化學(xué)成分，也可用來輔助判斷地質(zhì)條件和預(yù)測工程地質(zhì)問題。

三、地下水的物理性質(zhì)與化學(xué)成分12四、地下水運動與規(guī)律地下水運動是指在水壓差或水頭差作用下，地下水在地下巖土空隙通道中發(fā)生的流動或運動，亦稱為滲流或滲透。它會使巖土發(fā)生潛蝕，并使巖土體受到動水壓力或稱滲流力的作用，也正因為如此，地下水運動會引起工程建設(shè)中必須關(guān)注的工程地質(zhì)問題，因潛蝕引起的地面沉陷或塌陷，因地下水位下降引起的地基沉降，因潛蝕引起的防洪大堤或土石壩管涌甚至潰決，因滲流引起的滑坡或崩塌，地下工程涌水或突水，基坑工程涌水，等等，地下水運動及其規(guī)律的研究具有非常重要的工程實際意義。

四、地下水運動與規(guī)律13（一）地下水運動的特點

1.曲折復(fù)雜的水流通道地下水儲存并運動于巖土顆粒孔隙或巖土內(nèi)縱橫交錯的裂隙之中，地下水的運動通道曲折復(fù)雜。人們研究地下水運動規(guī)律時，不可能研究每個通道的水流運動特征，而是研究巖土介質(zhì)內(nèi)平均或統(tǒng)計意義上的直線水流通道中的水流運動特征。用充滿含水層（包括全部空隙和巖土顆粒本身所占有的空間）的假想水流來代替僅在巖土空隙中運動的真正水流，為此，須滿足三個基本條件：

①假想水流通過任意斷面的流量必須等于真正水流通過同一斷面的流量；

②假想水流在任意斷面的水頭必須等于真正水流在同一斷面的水頭；

③假想水流通過巖土介質(zhì)所受的阻力必須等于真正水流所受到的阻力。（一）地下水運動的特點142.遲緩的流速地下水由于在曲折復(fù)雜的巖土空隙通道中流動，其受到很大的摩阻力作用，一般流速緩慢。地下水在曲折復(fù)雜通道中緩慢流動，即所謂的滲流或滲透。3.層流和紊流地下水在巖土空隙中滲流時，水質(zhì)點運動有秩序，并呈現(xiàn)相互平行而不混雜的運動軌跡，稱為層流；水質(zhì)點運動無秩序，相互混雜，并呈現(xiàn)相互交錯的運動軌跡，稱為紊流。地下水滲流大多呈現(xiàn)層流運動。4.非穩(wěn)定流和緩變流運動在滲流場內(nèi)各滲流運動要素不隨時間而變化的地下水運動，稱為地下水的穩(wěn)定流運動，否則稱為地下水的非穩(wěn)定流運動。大多數(shù)地下水運動都屬非穩(wěn)定流運動。2.遲緩的流速15（二）地下水運動的基本規(guī)律1856年，法國水力學(xué)家達(dá)西（H.Darcy)以砂為透水介質(zhì)進行滲透實驗，獲得達(dá)西定律：v=ki滲透系數(shù)可定義為水力坡降等于1時的地下水滲流速度，室內(nèi)滲透試驗或野外抽水試驗確定。值得注意，地下水實際流速遠(yuǎn)大于滲流速度，滲流速度只為研究方便而提出來一個虛擬參數(shù)。達(dá)西定律表明地下水滲流速度與水力坡度成線性正比關(guān)系，僅適用于砂土中滲流的穩(wěn)定層流運動規(guī)律的描述。雖然已經(jīng)獲得了一定程度的研究進展，如哲才公式等，但地下水滲流運動規(guī)律仍有待進一步深入研究。

（二）地下水運動的基本規(guī)律16（三）地下水的補給、徑流與排泄1.補給大氣降水滲入補給地表水滲入補給凝結(jié)人工補給2.徑流地下水徑流使地下水不斷交替和更新。地下水徑流方向總趨勢是由高流向低水位、由補給區(qū)流向排泄區(qū)。地下水徑流要素包括徑流方向、徑流強度和徑流量。3.排泄泉排泄蒸發(fā)排泄泄流排泄人工排泄（三）地下水的補給、徑流與排泄17五、地下水分類（一）含水層與隔水層地下巖土層劃分為含水層和隔水層。含水層：指能夠透過并能給出相當(dāng)數(shù)量水的巖土層，隔水層：指不能透過和給出相當(dāng)數(shù)量水，或者相對含水層來講，透過和給出水?dāng)?shù)量微不足道的巖土層。

①含水層和隔水層的劃分是相對的，不存在定量標(biāo)準(zhǔn)。

②含水層和隔水層在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。特別注意，含水層與隔水層的劃分具有重要的意義。五、地下水分類①含水層和隔水層的劃分是相對的，不存在定量18（二）地下水分類地下水具有廣義和狹義兩種概念，廣義地下水是指賦存于地面以下巖土空隙中的水，包氣帶和飽水帶所有賦存于巖土空隙中的水都屬于廣義地下水；狹義地下水僅指賦存于飽水帶巖土空隙中的水。。按地下水存在的相態(tài)可分為固態(tài)水、液態(tài)水和氣態(tài)水，其中，對工程建設(shè)有重大影響的液態(tài)水又分為毛細(xì)水和重力水。毛細(xì)水是指在巖土細(xì)小空隙中受毛細(xì)作用控制的水，它是組成巖土三相物質(zhì)界面上毛細(xì)力作用的結(jié)果，不能自由運動；在重力作用下，巖土空隙中可自由運動的水，稱為重力水。長期以來，工程技術(shù)人員著重于研究飽水帶巖土空隙中的重力水，但是，愈來愈多的研究表明，包氣帶和飽水帶是不可分割的統(tǒng)一整體，它們之間存在千絲萬縷的聯(lián)系。（二）地下水分類191.按埋藏條件的分類

地下水埋藏條件：含水層的位置及其受隔水層限制的情況。據(jù)此可將地下水分為包氣帶水、潛水和承壓水。（1）包氣帶水埋藏在地面以下包氣帶內(nèi)的水，稱為包氣帶水。包括因重力作用從地表下滲的水、因毛細(xì)作用從地下水面上升的毛細(xì)水以及留存在包氣帶內(nèi)局部隔水層上面的重力水等。受地表氣候影響大，水量和水質(zhì)呈現(xiàn)季節(jié)性變化，亦可分為土壤水和上層滯水。

①土壤水：包氣帶表層土壤中的毛細(xì)水和結(jié)合水，稱為土壤水。受氣候條件控制，季節(jié)性明顯，變化大。提供植物生長所需水分。

②上層滯水：位于包氣帶內(nèi)的局部隔水層之上且具有自由水面的重力水，稱為上層滯水，接受大氣降水的補給，以蒸發(fā)形式或向隔水底板邊緣排泄，水量和水質(zhì)受地表環(huán)境的影響大，季節(jié)性變化顯著。。1.按埋藏條件的分類20（2）潛水埋藏在地表以下第一個穩(wěn)定隔水層之上且具有自由水面的重力水。潛水的自由水面稱為潛水面；潛水面到地面的鉛直距離稱為潛水埋藏深度；潛水面上任意一點高程稱為該點的潛水位；從潛水面上任意點到隔水底板的鉛直距離稱為該點的潛水含水層厚度。①潛水的特征潛水具有自由水面即潛水面，在潛水面上的點，水壓為零，稱為無壓水。潛水面不一定是水平面，受地形、地層分布和地表水體補給等影響。主要接受地表水補給，水量與水質(zhì)與地表水具有直接關(guān)系，潛水位、潛水埋藏深度與厚度以及水質(zhì)常呈季節(jié)性變化規(guī)律。以大氣降水作為補給時，潛水的分布區(qū)與補給區(qū)基本一致；以地表水體作為補給時，潛水的分布區(qū)與補給區(qū)可能不一致。潛水的排泄主要有蒸發(fā)和徑流排泄兩種方式。從高潛水位流向低潛水位，徑流強度主要受水力坡降和巖土滲透性控制。（2）潛水21②潛水的等水位線圖等水位線圖是由潛水面上高程相同的點連接起來所得的圖形，它類似于地形等高線。

利用等水位線圖可解決如下工程實際問題：（a）確定潛水的流向和水力坡度（b）確定潛水埋藏深度（c）確定潛水與地表水的補給關(guān)系（d）了解地下巖層巖性分布的變化②潛水的等水位線圖利用等水位線圖可解決如下工程實際問題：22（2）承壓水

充滿于地表下兩個穩(wěn)定隔水層之間含水層中的重力水，有時也稱為層間水或有壓水。上部隔水層稱為隔水頂板；下部隔水層稱為隔水底板當(dāng)鉆孔打穿隔水頂板時可見到地下水，其高程稱初見水位當(dāng)鉆孔打穿隔水頂板時，水沿鉆孔上升到一定高度后不再上升，其高程稱承壓水位或測壓水位承壓含水層頂?shù)装宕怪本嚯x稱為承壓含水層厚度承壓水位高出隔水頂板底面的距離稱為承壓水頭或測壓水頭承壓水頭高出地表時，其承壓水頭稱為正水頭具有正水頭的承壓水，稱為承壓自流水；承壓水位高于地表標(biāo)高的地區(qū)稱承壓水自流區(qū)承壓水位連成的面稱承壓面。（2）承壓水承壓含水層頂?shù)装宕怪本嚯x稱為承壓含水層厚度23①承壓水的特征承壓水沒有自由水面，它總是承受一定的靜水壓力。具有穩(wěn)定的隔水頂板和底板。承壓水的補給區(qū)與分布區(qū)不一致。承壓水位、埋藏深度與厚度、水量、水質(zhì)等受氣候影響甚微，季節(jié)性變化特征不明顯。主要通過含水層出露地表的補給區(qū)獲得補給，有時也可能通過越流（不同含水層之間的水交換）補給。承壓水一般通過含水層出露地表的區(qū)域排泄，部分也可通過越流排泄。承壓水徑流受水力坡度和含水層滲透性控制。①承壓水的特征24②等水壓線圖由承壓面上高程相同的點連接起來所得的圖形。類似于地形等高線，同一等水壓線上點的承壓水位是相同的，某區(qū)域等水壓線的疏密程度可反映該區(qū)域水力坡度的大小。利用等水壓線圖可確定潛水的流向和水力坡度以及了解巖性的分布規(guī)律。

②等水壓線圖252.按含水層性質(zhì)分類含水層性質(zhì)是指賦存地下水的巖土空隙的性質(zhì)。按含水層性質(zhì)，可分為孔隙水、裂隙水和巖溶水三種類型。它們的空間分布和連通規(guī)律存在顯著差異，由此導(dǎo)致地下水有不同分布與運動規(guī)律，進而對工程建設(shè)產(chǎn)生不同的影響。研究掌握賦存在于不同空隙中地下水的特性對工程建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。

2.按含水層性質(zhì)分類26（1）孔隙水

孔隙水賦存于土層及巖石的風(fēng)化殼中，以賦存于第四紀(jì)松散沉積物為主，多呈現(xiàn)均勻而連續(xù)的分布。它的賦存條件和特征取決于巖土孔隙的情況，由于埋藏條件不同，可形成包氣帶水、潛水和承壓水。由于在特定第四紀(jì)沉積環(huán)境中形成的不同類型沉積物的空間分布、粒徑與分選性均各具特點，因此，賦存于其中的孔隙水分布以及它與外界的聯(lián)系差異很大。①洪積物中的地下水②沖積物中的地下水③湖積物中的地下水④濱海三角洲沉積物中的地下水⑤黃土中的地下水（1）孔隙水27（2）裂隙水埋藏在基巖裂隙中的地下水主要分布在山區(qū)和第四紀(jì)沉積物覆蓋層下面的基巖中。裂隙的性質(zhì)和發(fā)育程度決定了裂隙水的存在和富水性。裂隙水按基巖裂隙成因可以分為風(fēng)化裂隙水、成巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水三類。

①風(fēng)化裂隙水：風(fēng)化裂隙由巖石風(fēng)化作用形成，廣泛分布于出露基巖的表面，但隨深度增加風(fēng)化減弱，裂隙減少。（2）裂隙水28②成巖裂隙水：成巖裂隙為巖石在形成過程中所形成的裂隙。具有成巖裂隙的巖層出露地表時，常賦存成巖裂隙水。巖漿巖中成巖裂隙水較為豐富。③構(gòu)造裂隙水：由于構(gòu)造運動，巖石破裂形成裂隙。構(gòu)造裂隙發(fā)育很不均勻。一般按裂隙分布的產(chǎn)狀，又可分為層狀構(gòu)造裂隙水和脈狀構(gòu)造裂隙水。（3）巖溶水賦存和運移于可溶巖的溶隙中的地下水。我國巖溶分布十分廣泛，特別是在南方地區(qū)，因此，巖溶水分布很普遍。巖溶水的發(fā)育主要受巖溶作用的強弱控制。巖溶水分布具有地區(qū)性和隨機性，而且，極為不均勻，水量差別很大，地下水的硬度也很高。在工程建設(shè)中應(yīng)特別注意巖溶水帶來的工程問題。

②成巖裂隙水：成巖裂隙為巖石在形成過程中所形成的裂隙。具有成29六、地下水對工程建設(shè)的影響與防治地下水在地殼內(nèi)部無處不存在，對人類生活與工程建設(shè)都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。①地下水作為寶貴的自然資源為人類提供了豐富的物質(zhì)財富。②地下水的存在及其運動可引起工程建設(shè)的麻煩甚至事故。地下水對工程建設(shè)的影響具有普遍性，而且，它對不同工程建設(shè)影響的程度和機理均存在很大的差異性，本節(jié)僅介紹地下水對工程建設(shè)的一般性影響方面的內(nèi)容。地下水對工程建設(shè)的一般性影響主要包括地下水對巖土的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng)以及地下水引起的災(zāi)害等四個方面。

六、地下水對工程建設(shè)的影響與防治30（一）地下水的物理效應(yīng)

風(fēng)化作用：水是巖石風(fēng)化的重要影響因素，地下水會促進巖石的風(fēng)化作用，使巖石的強度和剛度明顯下降。巖土的軟化性：巖土中親水粘土礦物遇水后會發(fā)生軟化，使巖土的強度和地基的承載能力下降。巖土的膨脹性與崩解性：巖土中包含親水礦物遇水后會發(fā)生膨脹與崩解。軟土地基的固結(jié)效應(yīng)：軟土中包含地下水時，在外力作用下會發(fā)生因地下水排出而引起的軟土固結(jié)。地基土的壓實性：地下水的存在會影響地基土的壓實效果。溶解性：粘土被地下水溶解，易發(fā)生土洞塌陷而使地基失穩(wěn)；含可溶鹽的地基土，引起地基濕陷、溶陷和塌陷。凍土：凍土或多年凍土?xí)驗闇囟茸兓l(fā)生凍融，會引起地基融陷、塌陷和不穩(wěn)定等問題。一般采用“減水”和降低巖土水敏感性的措施進行防治。（一）地下水的物理效應(yīng)31（二）地下水的化學(xué)效應(yīng)

地下水的化學(xué)效應(yīng)是指地下水對巖石的溶蝕作用和對地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕作用。（1）溶蝕性：可溶性巖石會產(chǎn)生巖溶現(xiàn)象，形成溶隙、溶溝、溶槽和溶洞以及基巖表面起伏等，可能引起巖溶塌陷、地基不均勻沉降和基礎(chǔ)不穩(wěn)定等問題。（2）腐蝕性：由于地下水中含有特殊成分（如氧氣和二氧化碳等），會使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生銹蝕和腐蝕，影響壽命。工程建設(shè)中經(jīng)常須對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采取防腐措施，如錨桿的防銹和混凝土的防腐處理等。（二）地下水的化學(xué)效應(yīng)32

（三）地下水的力學(xué)效應(yīng)（1）毛細(xì)水的影響：由于巖土空隙中的毛細(xì)力作用，致使毛細(xì)水上升，從而使上部巖土體含水量增大，可促使上部巖土軟化、凍脹、沼澤化和鹽漬化以及上部巖土體中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕。（2）砂土地基的震動液化：飽水砂土地基在地震或振動荷載作用下，由于超孔隙水壓力的出現(xiàn)使地基土處于懸浮和流動的液體狀態(tài)，地基喪失承載能力。（3）地下水位或水壓變化：地下水位上升可導(dǎo)致類似毛細(xì)水的影響；地下水位或水壓下降可引起地表塌陷、地基沉降或不均勻沉降、地裂縫的產(chǎn)生與復(fù)活、濱海地區(qū)海水入侵、水源枯竭和水質(zhì)惡化、邊坡滑坡與崩塌、擋土墻傾倒破壞、地下洞室淹沒等；承壓水可引起建筑基坑底板破壞而發(fā)生涌水。（4）地下水的浮托作用：必要時需要考慮地下水的浮托作用。（5）地下水運動的破壞作用：地下水運動可使巖土受到滲流力的作用，從而使巖土發(fā)生潛蝕、流砂（或稱流土）和管涌等破壞作用。（三）地下水的力學(xué)效應(yīng)33（四）地下水引起的災(zāi)害

在工程施工中，由于揭露富水地層或地下水體而引發(fā)的突然涌水和突水，會淹沒工程設(shè)施或地下隧洞，輕者導(dǎo)致施工不便，重者引發(fā)事故。（1）基坑涌水：因基坑開挖而揭露富水地層，地下水大量涌入基坑，使基坑施工無法進行，甚至導(dǎo)致事故。工程建設(shè)中常采用排水方法進行處理。（2）地下隧洞突水：由于施工中揭露富水地層或地下水體，地下水突然大量涌入地下隧洞，使施工人員和設(shè)備受到威脅。有效避免突水事故在于事先對地下突水和涌水量進行預(yù)測，必要時采用預(yù)先疏排水措施。此外，地下水的影響還涉及地下水污染問題。（四）地下水引起的災(zāi)害34地下水基本知識一、水文循環(huán)二、地下水賦存空間與巖土水理性質(zhì)三、地下水的物理性質(zhì)與化學(xué)成分四、地下水運動與規(guī)律五、地下水的分類六、地下水對工程建設(shè)的影響與防治地下水基本知識一、水文循環(huán)35地下水是埋藏在地表以下巖土孔隙、裂隙和溶隙中的水。它是地球水資源的重要組成部分和工農(nóng)業(yè)與生活的重要水源。在工程建設(shè)中，許多大小工程問題幾乎都與地下水的活動緊密相關(guān)。它與巖土相互作用，會使巖土的物理力學(xué)性質(zhì)逆化，降低巖土的強度和承載能力，產(chǎn)生各種不良的自然與物理地質(zhì)現(xiàn)象，給工程建筑的正常使用和工程建設(shè)的施工帶來危害。地下水是埋藏在地表以下巖土孔隙、裂隙和溶隙中的水。36一、水文循環(huán)

自然界中的水文循環(huán)包括地表水分循環(huán)和地下水循環(huán)。兩者相互聯(lián)系和影響，對地下水的形成和運動產(chǎn)生重要的影響。（一）地表水分循環(huán)

自然界的水分循環(huán)一般包括三個階段：降水、徑流和蒸發(fā)。根據(jù)水分循環(huán)的過程，可將水分循環(huán)分為大循環(huán)和小循環(huán)兩種類型。

一、水文循環(huán)371.大循環(huán)從海洋上蒸發(fā)的水氣被氣流帶到大陸上空，在適當(dāng)?shù)臈l件下又降落到地表。這種海陸間的水分交換的過程稱為大循環(huán)。大循環(huán)是全球性水分循環(huán)過程，其特點是海洋向大陸輸送水氣，而大陸向海洋注入徑流。2.小循環(huán)從海洋上蒸發(fā)的水氣，在海洋上空聚集成云，后又凝結(jié)成雨或雪落在海上，或從大陸蒸發(fā)的水氣和從海洋輸入內(nèi)陸的少量水氣在陸地上空凝結(jié)降落在大陸表面，稱為小循環(huán)。在海洋上進行的小循環(huán)稱為海洋小循環(huán)，而在陸地本身進行的局部循環(huán)稱為陸地小循環(huán)。1.大循環(huán)38大循環(huán)是由許多小循環(huán)組成的復(fù)雜過程。在陸地小循環(huán)較活躍的地區(qū)，蒸發(fā)的水氣量與降水量都較多，該地區(qū)地表水和地下水也較豐富。

大循環(huán)是由許多小循環(huán)組成的復(fù)雜過程。39（二）地下水文循環(huán)

地表與地下水可相互轉(zhuǎn)換形成地下水文循環(huán)。地下水循環(huán)包括徑流、補給和排泄三個環(huán)節(jié)。巖土層自外界獲得水量過程稱為補給；地下巖土層失去水量的過程稱為排泄。地下水在巖土層中的運動稱為徑流。下水均衡的基本方程：△Q=Q補-Q排若一個時期內(nèi)某地區(qū)地下水的儲量在減少，則表明該地區(qū)排泄量超過補給量，反之依然。在天然條件下如果觀測時間很長，而且又同時包括旱季和雨季，則該地區(qū)的補給和排泄量一般會大致相等，地下水存儲量的變化值為零。（二）地下水文循環(huán)40（三）我國地下水時空分布特點地下水時空分布和變化受氣候影響顯著。我國以大興安嶺—陰山山脈—賀蘭山—巴顏喀拉山—岡底斯山脈以東一線為界，劃分為季風(fēng)區(qū)和非季風(fēng)區(qū)。1.季風(fēng)區(qū)地下水受夏季風(fēng)影響巨大在季風(fēng)區(qū)內(nèi)，地下水分布的時空特性受季風(fēng)帶來降水的控制，來自海洋的偏南夏季風(fēng)是導(dǎo)致我國季風(fēng)區(qū)降水時空不均勻的主要原因。

2.非季風(fēng)區(qū)主要受高山冰雪融化影響我國非季風(fēng)區(qū)內(nèi)降水稀少，全年都比較干旱。地下水主要是因為西部高山冰雪融化水滲入地下形成的徑流所致。約占全國三分之一面積的西北地區(qū)深居內(nèi)陸，氣候干旱，地下水天然資源只占全國的約13%。

（三）我國地下水時空分布特點41二、地下水賦存空間與巖土水理性質(zhì)

（一）巖土中的空隙

地下水形成與存儲的基本條件是地下巖土層中具有相互聯(lián)系在一起的空隙，且地下水可以在這些空隙形成的空間中運動。地殼表層十余公里范圍內(nèi)或多或少都存在著空隙，特別是淺部范圍內(nèi)空隙分布較為普遍。這些空隙為地下水的賦存提供了必需的空間條件，既是地下水的儲存場所又是地下水的運移通道。巖土空隙的多少、大小、形狀、連通情況及其分布規(guī)律，決定著地下水的分布與運動規(guī)律。二、地下水賦存空間與巖土水理性質(zhì)42按空隙特征可分為孔隙、裂隙和溶隙：孔隙：組成巖土的顆?；蝾w粒集合體之間的空隙。巖土的孔隙性采用孔隙度（或孔隙率）或孔隙比來度量。巖土中孔隙分布一般較均勻。裂隙：在漫長的構(gòu)造地質(zhì)作用過程中，巖石會發(fā)生破壞，從而形成裂隙。巖石的裂隙性采用裂隙率度量。巖石中裂隙受地質(zhì)構(gòu)造控制，分布一般不均勻。溶隙：可溶性巖石如巖鹽、石膏、石灰?guī)r、白云巖和大理巖等，在水的溶解和溶蝕等巖溶作用下產(chǎn)生的空洞。溶隙的發(fā)育程度采用巖溶率來度量。溶隙的大小規(guī)模相差懸殊，分布極不均勻。按空隙特征可分為孔隙、裂隙和溶隙：43（二）巖土的水理性質(zhì)巖土的水理性質(zhì)是指巖土與水相互作用所表現(xiàn)出來的性質(zhì)。這里僅介紹與巖土儲存水性質(zhì)有關(guān)的巖土水理性質(zhì)。1.容水性巖土能容納一定水量的性質(zhì)稱為巖土的容水性，采用容水度來度量，它是指巖土空隙容納水的體積與巖土總體積之比，以小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示。當(dāng)巖土空隙被水完全充滿即巖土飽和時，巖土的容水度在數(shù)值上與巖土空隙率（包括孔隙率、裂隙率和巖溶率）基本相等。在實際工程中，常常會遇到巖土的容水度小于或大于空隙率的情況。2.持水性在重力作用下，巖土依靠分子引力和毛細(xì)力在其空隙中能保持一定水量的性質(zhì)，稱為巖土的持水性。采用持水度來度量，它是指在重力作用下，巖土空隙中所能保持水的體積與總體積之比。（二）巖土的水理性質(zhì)44持水度分為毛細(xì)和分子持水度：

①毛細(xì)持水度：毛細(xì)管空隙被水充滿時，毛細(xì)水體積與巖土總體積之比。

②分子持水度：巖土所能保持的最大結(jié)合水體積與總體積之比。3.給水性在重力作用下，含水的巖土能自由排出一定水量的性質(zhì)，稱為巖土的給水性。采用給水度來度量，它是指巖土在重力作用下能自由排出水的體積與總體積之比。值得注意，一般巖土給水度的最大值等于容水度與持水度之差。持水度分為毛細(xì)和分子持水度：45三、地下水的物理性質(zhì)與化學(xué)成分

（一）地下水的化學(xué)成分

地下水中主要離子成分地下水中主要氣體成分地下水中的膠體成分與有機質(zhì)描述地下水化學(xué)性質(zhì)的主要指標(biāo)：氫離子濃度（pH值）、礦化度和硬度

（二）地下水的物理性質(zhì)地下水的物理性質(zhì)包括比重、溫度、顏色、透明度、氣味、味道、導(dǎo)電性及放射性等。研究這些性質(zhì)不僅可以了解地下水的特征，還可以用來推斷地下水的化學(xué)成分，也可用來輔助判斷地質(zhì)條件和預(yù)測工程地質(zhì)問題。

三、地下水的物理性質(zhì)與化學(xué)成分46四、地下水運動與規(guī)律地下水運動是指在水壓差或水頭差作用下，地下水在地下巖土空隙通道中發(fā)生的流動或運動，亦稱為滲流或滲透。它會使巖土發(fā)生潛蝕，并使巖土體受到動水壓力或稱滲流力的作用，也正因為如此，地下水運動會引起工程建設(shè)中必須關(guān)注的工程地質(zhì)問題，因潛蝕引起的地面沉陷或塌陷，因地下水位下降引起的地基沉降，因潛蝕引起的防洪大堤或土石壩管涌甚至潰決，因滲流引起的滑坡或崩塌，地下工程涌水或突水，基坑工程涌水，等等，地下水運動及其規(guī)律的研究具有非常重要的工程實際意義。

四、地下水運動與規(guī)律47（一）地下水運動的特點

1.曲折復(fù)雜的水流通道地下水儲存并運動于巖土顆?？紫痘驇r土內(nèi)縱橫交錯的裂隙之中，地下水的運動通道曲折復(fù)雜。人們研究地下水運動規(guī)律時，不可能研究每個通道的水流運動特征，而是研究巖土介質(zhì)內(nèi)平均或統(tǒng)計意義上的直線水流通道中的水流運動特征。用充滿含水層（包括全部空隙和巖土顆粒本身所占有的空間）的假想水流來代替僅在巖土空隙中運動的真正水流，為此，須滿足三個基本條件：

①假想水流通過任意斷面的流量必須等于真正水流通過同一斷面的流量；

②假想水流在任意斷面的水頭必須等于真正水流在同一斷面的水頭；

③假想水流通過巖土介質(zhì)所受的阻力必須等于真正水流所受到的阻力。（一）地下水運動的特點482.遲緩的流速地下水由于在曲折復(fù)雜的巖土空隙通道中流動，其受到很大的摩阻力作用，一般流速緩慢。地下水在曲折復(fù)雜通道中緩慢流動，即所謂的滲流或滲透。3.層流和紊流地下水在巖土空隙中滲流時，水質(zhì)點運動有秩序，并呈現(xiàn)相互平行而不混雜的運動軌跡，稱為層流；水質(zhì)點運動無秩序，相互混雜，并呈現(xiàn)相互交錯的運動軌跡，稱為紊流。地下水滲流大多呈現(xiàn)層流運動。4.非穩(wěn)定流和緩變流運動在滲流場內(nèi)各滲流運動要素不隨時間而變化的地下水運動，稱為地下水的穩(wěn)定流運動，否則稱為地下水的非穩(wěn)定流運動。大多數(shù)地下水運動都屬非穩(wěn)定流運動。2.遲緩的流速49（二）地下水運動的基本規(guī)律1856年，法國水力學(xué)家達(dá)西（H.Darcy)以砂為透水介質(zhì)進行滲透實驗，獲得達(dá)西定律：v=ki滲透系數(shù)可定義為水力坡降等于1時的地下水滲流速度，室內(nèi)滲透試驗或野外抽水試驗確定。值得注意，地下水實際流速遠(yuǎn)大于滲流速度，滲流速度只為研究方便而提出來一個虛擬參數(shù)。達(dá)西定律表明地下水滲流速度與水力坡度成線性正比關(guān)系，僅適用于砂土中滲流的穩(wěn)定層流運動規(guī)律的描述。雖然已經(jīng)獲得了一定程度的研究進展，如哲才公式等，但地下水滲流運動規(guī)律仍有待進一步深入研究。

（二）地下水運動的基本規(guī)律50（三）地下水的補給、徑流與排泄1.補給大氣降水滲入補給地表水滲入補給凝結(jié)人工補給2.徑流地下水徑流使地下水不斷交替和更新。地下水徑流方向總趨勢是由高流向低水位、由補給區(qū)流向排泄區(qū)。地下水徑流要素包括徑流方向、徑流強度和徑流量。3.排泄泉排泄蒸發(fā)排泄泄流排泄人工排泄（三）地下水的補給、徑流與排泄51五、地下水分類（一）含水層與隔水層地下巖土層劃分為含水層和隔水層。含水層：指能夠透過并能給出相當(dāng)數(shù)量水的巖土層，隔水層：指不能透過和給出相當(dāng)數(shù)量水，或者相對含水層來講，透過和給出水?dāng)?shù)量微不足道的巖土層。

①含水層和隔水層的劃分是相對的，不存在定量標(biāo)準(zhǔn)。

②含水層和隔水層在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。特別注意，含水層與隔水層的劃分具有重要的意義。五、地下水分類①含水層和隔水層的劃分是相對的，不存在定量52（二）地下水分類地下水具有廣義和狹義兩種概念，廣義地下水是指賦存于地面以下巖土空隙中的水，包氣帶和飽水帶所有賦存于巖土空隙中的水都屬于廣義地下水；狹義地下水僅指賦存于飽水帶巖土空隙中的水。。按地下水存在的相態(tài)可分為固態(tài)水、液態(tài)水和氣態(tài)水，其中，對工程建設(shè)有重大影響的液態(tài)水又分為毛細(xì)水和重力水。毛細(xì)水是指在巖土細(xì)小空隙中受毛細(xì)作用控制的水，它是組成巖土三相物質(zhì)界面上毛細(xì)力作用的結(jié)果，不能自由運動；在重力作用下，巖土空隙中可自由運動的水，稱為重力水。長期以來，工程技術(shù)人員著重于研究飽水帶巖土空隙中的重力水，但是，愈來愈多的研究表明，包氣帶和飽水帶是不可分割的統(tǒng)一整體，它們之間存在千絲萬縷的聯(lián)系。（二）地下水分類531.按埋藏條件的分類

地下水埋藏條件：含水層的位置及其受隔水層限制的情況。據(jù)此可將地下水分為包氣帶水、潛水和承壓水。（1）包氣帶水埋藏在地面以下包氣帶內(nèi)的水，稱為包氣帶水。包括因重力作用從地表下滲的水、因毛細(xì)作用從地下水面上升的毛細(xì)水以及留存在包氣帶內(nèi)局部隔水層上面的重力水等。受地表氣候影響大，水量和水質(zhì)呈現(xiàn)季節(jié)性變化，亦可分為土壤水和上層滯水。

①土壤水：包氣帶表層土壤中的毛細(xì)水和結(jié)合水，稱為土壤水。受氣候條件控制，季節(jié)性明顯，變化大。提供植物生長所需水分。

②上層滯水：位于包氣帶內(nèi)的局部隔水層之上且具有自由水面的重力水，稱為上層滯水，接受大氣降水的補給，以蒸發(fā)形式或向隔水底板邊緣排泄，水量和水質(zhì)受地表環(huán)境的影響大，季節(jié)性變化顯著。。1.按埋藏條件的分類54（2）潛水埋藏在地表以下第一個穩(wěn)定隔水層之上且具有自由水面的重力水。潛水的自由水面稱為潛水面；潛水面到地面的鉛直距離稱為潛水埋藏深度；潛水面上任意一點高程稱為該點的潛水位；從潛水面上任意點到隔水底板的鉛直距離稱為該點的潛水含水層厚度。①潛水的特征潛水具有自由水面即潛水面，在潛水面上的點，水壓為零，稱為無壓水。潛水面不一定是水平面，受地形、地層分布和地表水體補給等影響。主要接受地表水補給，水量與水質(zhì)與地表水具有直接關(guān)系，潛水位、潛水埋藏深度與厚度以及水質(zhì)常呈季節(jié)性變化規(guī)律。以大氣降水作為補給時，潛水的分布區(qū)與補給區(qū)基本一致；以地表水體作為補給時，潛水的分布區(qū)與補給區(qū)可能不一致。潛水的排泄主要有蒸發(fā)和徑流排泄兩種方式。從高潛水位流向低潛水位，徑流強度主要受水力坡降和巖土滲透性控制。（2）潛水55②潛水的等水位線圖等水位線圖是由潛水面上高程相同的點連接起來所得的圖形，它類似于地形等高線。

利用等水位線圖可解決如下工程實際問題：（a）確定潛水的流向和水力坡度（b）確定潛水埋藏深度（c）確定潛水與地表水的補給關(guān)系（d）了解地下巖層巖性分布的變化②潛水的等水位線圖利用等水位線圖可解決如下工程實際問題：56（2）承壓水

充滿于地表下兩個穩(wěn)定隔水層之間含水層中的重力水，有時也稱為層間水或有壓水。上部隔水層稱為隔水頂板；下部隔水層稱為隔水底板當(dāng)鉆孔打穿隔水頂板時可見到地下水，其高程稱初見水位當(dāng)鉆孔打穿隔水頂板時，水沿鉆孔上升到一定高度后不再上升，其高程稱承壓水位或測壓水位承壓含水層頂?shù)装宕怪本嚯x稱為承壓含水層厚度承壓水位高出隔水頂板底面的距離稱為承壓水頭或測壓水頭承壓水頭高出地表時，其承壓水頭稱為正水頭具有正水頭的承壓水，稱為承壓自流水；承壓水位高于地表標(biāo)高的地區(qū)稱承壓水自流區(qū)承壓水位連成的面稱承壓面。（2）承壓水承壓含水層頂?shù)装宕怪本嚯x稱為承壓含水層厚度57①承壓水的特征承壓水沒有自由水面，它總是承受一定的靜水壓力。具有穩(wěn)定的隔水頂板和底板。承壓水的補給區(qū)與分布區(qū)不一致。承壓水位、埋藏深度與厚度、水量、水質(zhì)等受氣候影響甚微，季節(jié)性變化特征不明顯。主要通過含水層出露地表的補給區(qū)獲得補給，有時也可能通過越流（不同含水層之間的水交換）補給。承壓水一般通過含水層出露地表的區(qū)域排泄，部分也可通過越流排泄。承壓水徑流受水力坡度和含水層滲透性控制。①承壓水的特征58②等水壓線圖由承壓面上高程相同的點連接起來所得的圖形。類似于地形等高線，同一等水壓線上點的承壓水位是相同的，某區(qū)域等水壓線的疏密程度可反映該區(qū)域水力坡度的大小。利用等水壓線圖可確定潛水的流向和水力坡度以及了解巖性的分布規(guī)律。

②等水壓線圖592.按含水層性質(zhì)分類含水層性質(zhì)是指賦存地下水的巖土空隙的性質(zhì)。按含水層性質(zhì)，可分為孔隙水、裂隙水和巖溶水三種類型。它們的空間分布和連通規(guī)律存在顯著差異，由此導(dǎo)致地下水有不同分布與運動規(guī)律，進而對工程建設(shè)產(chǎn)生不同的影響。研究掌握賦存在于不同空隙中地下水的特性對工程建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。

2.按含水層性質(zhì)分類60（1）孔隙水

孔隙水賦存于土層及巖石的風(fēng)化殼中，以賦存于第四紀(jì)松散沉積物為主，多呈現(xiàn)均勻而連續(xù)的分布。它的賦存條件和特征取決于巖土孔隙的情況，由于埋藏條件不同，可形成包氣帶水、潛水和承壓水。由于在特定第四紀(jì)沉積環(huán)境中形成的不同類型沉積物的空間分布、粒徑與分選性均各具特點，因此，賦存于其中的孔隙水分布以及它與外界的聯(lián)系差異很大。①洪積物中的地下水②沖積物中的地下水③湖積物中的地下水④濱海三角洲沉積物中的地下水⑤黃土中的地下水（1）孔隙水61（2）裂隙水埋藏在基巖裂隙中的地下水主要分布在山區(qū)和第四紀(jì)沉積物覆蓋層下面的基巖中。裂隙的性質(zhì)和發(fā)育程度決定了裂隙水的存在和富水性。裂隙水按基巖裂隙成因可以分為風(fēng)化裂隙水、成巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水三類。

①風(fēng)化裂隙水：風(fēng)化裂隙由巖石風(fēng)化作用形成，廣泛分布于出露基巖的表面，但隨深度增加風(fēng)化減弱，裂隙減少。（2）裂隙水62②成巖裂隙水：成巖裂隙為巖石在形成過程中所形成的裂隙。具有成巖裂隙的巖層出露地表時，常賦存成巖裂隙水。巖漿巖中成巖裂隙水較為豐富。③構(gòu)造裂隙水：由于構(gòu)造運動，巖石破裂形成裂隙。構(gòu)造裂隙發(fā)育很不均勻。一般按裂隙分布的產(chǎn)狀，又可分為層狀構(gòu)造裂隙水和脈狀構(gòu)造裂隙水。（3）巖溶水賦存和運移于可溶巖的溶隙中的地下水。我國巖溶分布十分廣泛，特別是在