第5章 地下水-蔣沖

第5章地下水

5.1概述 5.2地下水的分類 5.3達西定律和滲流 5.4抽水、壓水試驗及水文地質參數(shù)的測試 5.5地下水的物理化學性質 5.6地下水對土木工程的影響 15.1概述

埋藏和運移在地表以下土層及巖石空隙中的水稱為地下水(groundwater)。地下水分布很廣，與人們的生產(chǎn)、生活和工程活動的關系也很密切。它一方面是飲用、灌溉和工業(yè)供水的重要水源之一，是寶貴的天然資源。另一方面，它與土石相互作用，會使土體和巖體的強度和穩(wěn)定性降低，產(chǎn)生各種不良的自然地質現(xiàn)象和工程地質現(xiàn)象，如滑坡、巖溶、潛蝕、地基沉陷、道路凍脹和翻漿等，給工程的建筑和正常使用造成危害。本章主要介紹了地下水的分類、達西定律和滲流、抽水、壓水試驗及水文地質參數(shù)的測試、地下水的物理化學性質以及地下水對工程的不良影響等方面的內(nèi)容。2學完本章后應掌握以下內(nèi)容：（1）達西定律的原理和適用范圍；（2）地下水的類型及物理化學性質；（3）抽水、壓水試驗及水文地質參數(shù)測試的內(nèi)容與方法；（4）地下水對工程的不良影響。學習中應注意回答以下問題：（1）達西定律的原理和適用范圍是什么？巖土的水理特性有哪些？（2）地下水如何進行分類？各種類型的特點是什么？地下水有哪些物理化學性質？（3）抽水、注水和壓水試驗的試驗目的與方法是什么？（4）地下水對工程的不良影響有哪些？人工降低地下水位的方法有哪些？（5）潛蝕、管涌、流砂和基坑突涌的成因及防治措施有哪些？水庫及壩區(qū)滲漏如何進行防治？35.2地下水的分類

45.2.1地下水按埋藏條件分類地下水按埋藏條件可分為包氣帶水、潛水和承壓水。

1.包氣帶水位于潛水面以上未被水飽和的巖土體中的水，稱為包氣帶水。此帶稱為包氣帶，其下稱飽水帶。包氣帶中的水主要有土壤水和上層滯水，見圖7-2。5

2.潛水飽水帶中第一個連續(xù)隔水層之上具有自由表面的含水層中的水稱為潛水，見圖7-3。

6

3.承壓水

1）承壓水的概念

承壓水是充滿于兩個穩(wěn)定隔水層之間的含水層中具有靜水壓力的重力水，如未充滿則稱無壓層間水。承壓水有上下兩個穩(wěn)定的隔水層，上面的稱為隔水頂板，下面的稱為隔水底板。頂、底板之間的垂直距離為含水層的厚度(圖7-4)。

7

2）承壓水的埋藏類型承壓水的形成主要取決于地質構造。形成承壓水的地質構造主要是向斜構造和單斜構造。

a.向斜構造

8

b.單斜構造(自流水斜地)

95.2.2地下水按含水層空隙性質的分類地下水按含水層空隙性質(含水介質)的不同，可分為孔隙水、裂隙水和巖溶水。

1.孔隙水孔隙水分布于第四系各種不同成因類型的松散沉積物中。其主要特點是水量在空間分布上相對均勻，連續(xù)性好。它一般呈層狀分布，同一含水層的孔隙水具有密切的水力聯(lián)系，具有統(tǒng)一的地下水面。

1）沖積物中的地下水

2）洪積物中的地下水

2.裂隙水充填于堅硬基巖中各種成因裂隙中的水，稱為裂隙水。裂隙水按其賦存的裂隙成因不同分為：風化裂隙水、成巖裂隙水和構造裂隙水。

3.巖溶水賦存和運移于可溶巖的溶隙溶洞(洞穴、管道、暗河)中的地下水叫巖溶水。

10

4.泉泉是地下水出露于地表的天然露頭，是地下水的一種重要排泄方式。

1)按照含水層的水頭性質和補給來源分類按含水層的水頭性質和補給來源分為包氣帶泉、潛水泉和自流水泉。

2)根據(jù)泉的出露原因分類根據(jù)泉的出露原因分為侵蝕泉、接觸泉、溢出泉、斷層泉。3)根據(jù)泉水溫度分為冷泉、溫泉。115.3達西定律和滲流

地下水在巖石空隙中的運動稱為滲流。發(fā)生滲流的區(qū)域稱為滲流場。由于受到介質的阻滯，相對地表水來說，地下水的流動通常較為緩慢。水體運動時，水的質點作有秩序、互不混雜地流動，稱作層流運動。地下水在具狹小空隙的巖土介質(如砂、裂隙不很寬大的基巖)中流動時，重力水受介質的吸引力較大，水的質點排列較有秩序，呈現(xiàn)層流運動。水的質點無秩序地、互相混雜地流動，稱為紊流運動。作紊流運動時，水流所受阻力比層流狀態(tài)大，消耗的能量較多。地下水在具寬大空隙(大的溶穴、寬大裂隙)的巖土介質中運動時，流速較大，容易呈現(xiàn)紊流運動狀態(tài)。水體流動過程中，各個運動要素(水位、流速、流向等)不隨時間改變時，稱作穩(wěn)定流。運動要素隨時間變化的水流運動，稱作非穩(wěn)定流。嚴格地講，自然界中地下水都屬于非穩(wěn)定流。但是，為了便于分析和運算，也可以將某些運動要素變化微小的滲流近似地看做穩(wěn)定流。

125.3.1達西滲透定律

達西(H．Darcy)于1856年用如圖7-9的試驗裝置，在穩(wěn)定流和層流條件下，用粗顆粒土進行了大量的滲透試驗，測定水流通過土試樣單位截面積的滲流量，獲得了滲流量與水力梯度的關系，從而得到滲流速度與水力梯度(或水頭能量損失)和土的滲透性質的基本規(guī)律，即滲流的基本規(guī)律——達西滲透定律。135.3.2達西定律的適用范圍由達西定律可知：流速與水力梯度成正比。在水力學中，這種水流屬于層流流態(tài)，當孔隙較大，流速較大，水流就進入紊流流態(tài)，流速與水力梯度不再是線性關系，對于完整巖石，其孔隙尺寸非常小，一般不會越出層流界限。但是，由于孔隙的尺寸甚小，孔隙中的水受到固體骨架的吸附作用，達西定律同樣不再適用而需要修正。

大量試驗結果表明，黏性土的滲流在水力坡度大于時基本上服從這一規(guī)律，而礫石土則在水力坡度小于時適用達西定律。所以達西滲透定律的適用范圍主要與滲透水流在土中的流動狀態(tài)有關，屬于層流狀態(tài)者適用，紊流狀態(tài)則不適用。145.3.3巖土的水理性質巖土的水理性質是指巖土與水相互作用時巖土顯示出來的各種性質，主要有含水性、給水性和透水性。

1.巖土的含水性巖土含水的性質叫含水性。通常指容水性和持水性兩個方面。

1）容水性：巖土的容水性是指常壓下巖土孔隙中能容納一定水量的性能，以容水度表示。

2）持水性：飽水巖土在重力作用下排水后仍能保持一定水量的性能稱為巖土的持水性，以持水度表示。

2.巖土的給水性指在重力作用下飽水巖土從孔隙中能自由流出一定水量的性能，以給水度表示。

3.巖土的透水性指在水的重力作用下，巖土容許水透過自身的性能，通常以滲透系數(shù)表示。

155.4抽水、壓水試驗及水文地質參數(shù)的測試5.4.1地下水流向流速的測定

1.地下水流向的測定地下水的流向可用三點法測定。此外，地下水流向的測定，尚可用人工放射性同位素單井法來測定。

2.地下水流速的測定

1)利用水力坡度，求地下水的流速

2)利用指示劑或示蹤劑，測定地下水的流速165.4.2抽水試驗17

1.抽水試驗的目的、方法和要求

1)抽水試驗的目的工程地質勘察中抽水試驗的目的，通常為查明建筑場地的地層滲透性和富水性，測定有關水文地質參數(shù)，為建筑設計提供水文地質資料。

2)抽水試驗的方法

3)抽水試驗的要求

2.抽水試驗資料整理

1)現(xiàn)場整理18

2)室內(nèi)整理

195.4.3注水試驗

1.試驗方法鉆孔注水試驗適用于地下水位埋藏較深，不便于進行抽水試驗的場地，或在干的透水巖土層中進行。其原理與抽水試驗相似，注水可以看做是抽水的逆過程。注水試驗裝置見圖7-18。

20

2.注水試驗成果應用

215.4.4壓水試驗工程地質勘察中的壓水試驗，主要是為了探查天然巖(土)層的裂隙性和滲透性，獲得單位吸水量等參數(shù)，為有關土建設計提供基礎資料。

1.壓水試驗的方法和類型

2.壓水試驗的主要參數(shù)

1)穩(wěn)定流量

2)壓力階段和壓力值

3）試驗段長度

3.壓水試驗成果整理

1）單位吸水量

2）根據(jù)單位吸水量近似求出滲透系數(shù)k3）單位吸水量與巖石裂隙性的關系

225.5地下水的物理化學性質

5.5.1地下水物理性質地下水的物理性質，主要包括顏色、氣味、口味、透明度或渾濁度、溫度、密度、導電性和放射性等。5.5.2地下水化學性質地下水的化學成分可以影響巖土的強度，從而造成對建筑工程的侵蝕及其他危害。

1.地下水的化學成分

1）地下水中的主要氣體成分

2）地下水中的主要離子成分

3）地下水中的膠體成分與有機質

2.地下水的化學性質

1）總礦化度

2）酸堿度

3）硬度

4）侵蝕性235.5.4環(huán)境水對建筑材料的腐蝕性評價

1.對混凝土結構的腐蝕性評價

1）腐蝕類型

a.結晶類腐蝕

b.分解類腐蝕

c.結晶分解復合類腐蝕

2)腐蝕性評價標準

2.對鋼筋混凝土結構中鋼筋的腐蝕性評價

3.對鋼結構的腐蝕性評價5.5.5地下水的污染

1.地下水污染及危害

2.污染源與污染物污染源：生活污染源、工業(yè)污染源、農(nóng)業(yè)污染源和環(huán)境污染源。污染物：無機污染物、有機污染物、病原體污染物。

3.污染途徑與方式地下水污染途徑是復雜多樣的，大致可分為四大類：即間歇入滲型，連續(xù)入滲型，越流型，逕流型。

245.6地下水對土木工程的影響

5.6.1概述地下水對土木工程建設的不良影響主要有：地下水滲透水流作用引起的流砂、管涌、潛蝕；地下水對位于水位下的巖石、土層和建筑物基礎產(chǎn)生的浮托作用；人工降低地下水位產(chǎn)生的地基沉降以及地下水滲流引起的水庫及壩體滲漏等問題。

25265.6.2流砂及其防治對策27

2.流砂形成的條件

1）巖性條件：土層由粒徑均勻的細顆粒組成(一般粒徑在0.01mm以下的顆粒含量在30～35％以上)，土中含有較多的片狀、針狀礦物(如云母、綠泥石等)和附有親水膠體礦物顆粒，從而增加了巖土的吸水膨脹性，降低了土粒重量。因此，在不大的水流沖力下，細小土顆粒即懸浮流動。

2）水動力條件：水力梯度較大，流速增大，動水壓力超過了土顆粒的重量時，就能使土顆粒懸浮流動形成流砂。

3.流砂的判別

1）按《水利水電工程地質勘察規(guī)范》（GB50287-99）判別。

2）按水動力條件判別

3)根據(jù)土的滲透系數(shù)

4)根據(jù)砂土孔隙度

1.流砂的破壞作用流砂是指松散細顆粒土被地下水飽和后，在動水壓力即水頭差的作用下，產(chǎn)生的懸浮流動現(xiàn)象。它與地下水的動水壓力有密切關系，當?shù)叵滤膭訅毫Υ笥谕亮５母∪葜鼗虻叵滤乃ζ露却笥谂R界水力坡度時，就會產(chǎn)生流砂。282930

4.防止流砂的措施流砂對巖土工程危害很大，所以在可能發(fā)生流砂的地區(qū)應盡量利用其上面的土層作天然地基，也可利用樁基穿透流沙層?？傊?，應盡量避免水下大開挖施工。若必須時，可以利用下列方法防治流砂：

1)人工降低地下水位將地下水位降至可能產(chǎn)生流沙的地層以下，然后再開挖。

2)地下連續(xù)墻或板樁其目的一方面是加固坑壁，另一方面是改善地下水的逕流條件，即增長滲流途徑，減小地下水力梯度和流速。

3)坑內(nèi)注水，水下開挖在基坑(或沉井)中用機械在水下挖掘，避免因排水而造成產(chǎn)生流砂的水頭差，為了增加砂的穩(wěn)定，也可向基坑中注水并同時進行挖掘。

4)采用土中灌漿或水泥攪拌樁通過土中灌漿或水泥攪拌樁來構成防水帷幕，以防止地下水流入。

5)其它方法處理流砂的方法還有凍結法、化學加固法、爆炸法及加重法等。在基槽開挖的過程中局部地段出現(xiàn)流砂時，立即拋入大塊石等，可以克服流砂的活動。315.6.3潛蝕潛蝕是滲透水流在一定的水力梯度下產(chǎn)生較大的動水壓力沖刷、挾走細小顆?；蛉芪g巖土體，使巖土體中的孔隙逐漸增大，甚至形成洞穴，導致巖土體結構松動或破壞，以致產(chǎn)生地表裂縫、塌陷，影響建筑工程的穩(wěn)定。在黃土和巖溶等地區(qū)的巖、土層中最易發(fā)生潛蝕作用。

1.潛蝕作用分類潛蝕作用可分為機械潛蝕和化學潛蝕兩種類型。

1）機械潛蝕:在地下滲透水流的長期作用下，產(chǎn)生巖土體中細小顆粒的位移和掏空現(xiàn)象。

2)化學潛蝕:易溶鹽類(如巖鹽、鉀鹽、石膏等)及某些較難溶解的鹽類(如方解石、菱鎂礦、白云石等)在流動水流的作用下，尤其是在地下水循環(huán)比較劇烈的地域，鹽類逐漸被溶解或溶蝕，使巖土體顆粒間的膠結力被削弱或破壞，結果導致巖土體結構松動，甚至破壞。機械潛蝕和化學潛蝕一般是同時進行的，且二者是相互影響，相互促進的。32335.6.4管涌及其防治對策

1.管涌的破壞作用地基土在具有某種滲透速度(或梯度)的滲透水流作用下，其細小顆粒被沖走，巖土的孔隙逐漸增大，慢慢形成一種能穿越地基的細管狀滲流通路，從而掏空地基或壩體，使地基或斜坡變形、失穩(wěn)，此現(xiàn)象稱為管涌。管涌通常是由于工程活動而引起的，但在有地下水出露的斜坡、岸邊或有地下水溢出的地帶也有發(fā)生，圖7-21為管涌的破壞示意。

342.管涌產(chǎn)生的條件管涌多發(fā)生在非黏性土中，其特征是：顆粒大小比值差別較大，往往缺少某種粒徑，磨圓度較好，孔隙直徑大而互相連通，細粒含量較少，不能全部充滿孔隙。顆粒多由比重較小的礦物構成，易隨水流移動，有較大的和良好的滲透水流出路等。管涌采用下列方法判別：

35363.管涌的防治在有可能發(fā)生管涌的地層中修建水壩、擋土墻及基坑排水工程時，為防止管涌發(fā)生，設計時必須控制地下水溢出帶的水力坡度，使其小于產(chǎn)生管涌的臨界水力坡度。防止管涌最常用的方法與防止流砂的方法相同，主要是控制滲流、降低水力坡度、設置保護層、打板樁等。

375.6.5基坑降水的方法

1.基坑突涌當基坑下有承壓水存在，開挖基坑減小了含水層上覆不透水層的厚度，在厚度減小到一定程度時，承壓水的水頭壓力能頂裂或沖毀基坑底板，造成突涌現(xiàn)象?；油挥繉茐牡鼗鶑姸龋⒔o施工帶來很大困難。

1)基坑突涌的形式

a.基底頂裂，出現(xiàn)網(wǎng)狀或樹枝狀裂縫，地下水從裂縫中涌出，并帶出下部土顆粒。

b.基坑底發(fā)生流砂現(xiàn)象，從而造成邊坡失穩(wěn)和整個地基懸浮流動。

c.基底發(fā)生類似于“沸騰”的噴水冒砂現(xiàn)象，使基坑積水，地基土擾動。38

2)基坑突涌產(chǎn)生條件

39

3)基坑突涌的防止首先應查明基坑范圍內(nèi)不透水層的厚度、巖性、強度及其承壓水水頭的高度，承壓水含水層頂板的埋深等。然后驗算基坑開挖到預計深度時基底能否發(fā)生突涌。若能發(fā)生突涌，應在基坑位置的外圍先設置抽水孔(或井)，采用人工方法局部降低承壓水水位，直到把承壓水位降低到基坑底以下某一許可值，方可動工開挖基坑，這樣就能防止產(chǎn)生基坑突涌現(xiàn)象。40

2.人工降低地下水位的方法

41

3.明溝排水明溝排水是在基坑(槽)內(nèi)設置排(截)水溝和集水井，用抽水設備將地下水從集水井內(nèi)排走，以達到疏干基坑內(nèi)地下水的目的。明溝排水一般適用于滲透性差的黏性土地基排水。

42

4.井點降水井點降水是利用井(孔)在基坑周圍同時抽水，把地下水位降低到基坑底面以下的降水方法。井點降水常適用于粉砂、砂土地基降水。井點降水分為輕型井點、噴射井點、管井井點，深井井點和電滲井點等，這里只著重介紹輕型井點降水方法。4344井點降水45深井降水465.6.6地下水的浮托作用當建筑物基礎底面位于地下水位以下時，地下水對基礎底面產(chǎn)生靜水壓力，即產(chǎn)生浮托力。如果基礎位于粉土、砂土、碎石土和節(jié)理裂隙發(fā)育的巖石地基上，則按地下水位100％計算浮托力；如果基礎位于節(jié)理裂隙不發(fā)育的巖石地基上，則按地下水位50％計算浮托力；如果基礎位于黏性土地基上，其浮托力較難確切地確定，應結合地區(qū)的實際經(jīng)驗考慮。地下水不僅對建筑物基礎產(chǎn)生浮托力，同樣對其水位以下的巖體、土體產(chǎn)生浮托力。所以，在確定地基承載力設計值時，無論是基礎底面以下土的天然重度或是基礎底面以上土的加權平均重度，地下水位以下都取有效重度。地下基礎抗浮措施一般采用樁基。

475.6.7水庫及壩區(qū)滲漏的防治水庫蓄水后，在適宜的地形、巖性、地質構造和水文地質條件下，庫水將通過地下通道向庫外滲漏，從而影響工程效益或大壩的安全。庫水向外滲漏的途徑通常有兩種：其一是通過庫岸的分水嶺向鄰谷(或相鄰洼地)，或經(jīng)由河灣部分滲向壩下游的河道，以及通過庫盆底部滲向遠處低洼地區(qū)；其二是通過壩基或繞過壩肩滲向壩下游(圖7-31)，前者稱為庫區(qū)滲漏，后者稱為壩區(qū)滲漏。

48

1.庫區(qū)滲漏的地質條件分析

1)地貌條件山區(qū)水庫，如四周山體單薄，鄰近又有低谷或洼地，且其底面標高又低于水庫正常水位，當有滲漏通道時，庫水將不斷流向鄰近低谷(或洼地)形成滲漏。鄰谷切割越深，與庫水位高程相差越大，滲漏的水量也越大(圖7-32a)。反之，如鄰谷切割不深，谷底高程高于正常水位時，則不會產(chǎn)生向鄰谷的滲漏(圖7-32b)。

49

2)巖性和地質構造條件基巖地區(qū)可能產(chǎn)生大量滲漏的條件，主要是在分水嶺或河灣地帶有巖溶通道(圖7-33b)，寬大的斷層破碎帶(圖7-33c)、褶曲轉折部位以及某些節(jié)理發(fā)育、透水性強的巖層。此外，分水嶺單薄，基巖風化殼較厚的地帶，或分水嶺地區(qū)有古河道或冰水沉積的砂礫石層分布(圖7-33a)，也會產(chǎn)生嚴重的滲漏。

50

3)水文地質條件庫區(qū)地下水埋藏與運動的特點，是判斷庫水外滲的又一重要標志。

a.分水嶺地帶的地下水為潛水分水嶺地帶的地下水為潛水時，根據(jù)地下水分水嶺的位置或泉水在地表出露的高程與水庫正常水位的關系，可以判斷庫水是否會向鄰谷滲漏,如圖7-34。

b.分水嶺地區(qū)有承壓水存在分水嶺地區(qū)有承壓水存在時，如果承壓水透水層在鄰谷出露的高程低于庫水位，則庫水就有可能沿透水層滲向鄰谷。51

2.壩區(qū)滲漏的地質條件分析大壩建成后，壩上游水位抬高，在上、下游水位差的作用下,庫水可能通過壩基或壩肩巖層中的孔隙、裂隙、破碎帶向下游滲漏，前者稱為壩基滲漏，后者稱為繞壩滲漏。對于壩區(qū)滲漏應當特別重視，因壩區(qū)水頭高，滲透途徑短，滲漏量可能很大。壩區(qū)滲漏形式分為均勻滲漏和集中滲漏兩種。前者，如通過砂礫石層和基巖中較為均布的風化裂隙的滲漏；后者，如通過較大的斷裂破碎帶和各種巖溶通道的滲漏。