第4章（地下水及其對工程的影響）

第四章

地下水及其對工程的影響一、地下水的類型與特征二、地下水的埋深、水位與動態(tài)三、地下水的作用及其對工程的影響本章內(nèi)容Hydrologiccycle地下水:是指埋藏于地下巖土體空隙中的水份。

地下水的存在及運(yùn)動，都會對地下巖土體的成份、結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的地質(zhì)地貌形態(tài)產(chǎn)生改造，因而地下水也是一種動力因素，當(dāng)然，它同時也是一種極端重要的資源。第一節(jié)地下水的類型與特征1．自然界的水循環(huán)

地球上除了存在于各種礦物中的化合水、結(jié)合水，以及為深部巖石所封存的水分以外，海洋、河流、湖泊、地下水、大氣水分和冰川，共同構(gòu)成地球的水圈。

而水是地球表面分布最廣和最重要的的物質(zhì)，并作為最活躍的因素始終參與地球地理環(huán)境的形成和發(fā)展過程，在所有自然地理過程中都不可或缺。地球的水量估計(jì)(1)概念與過程

水不斷的蒸發(fā)、輸送、凝結(jié)、降落的往返運(yùn)動過程稱為水循環(huán)。

水循環(huán)成因：

內(nèi)因——水的“三態(tài)”變化；外因——太陽輻射和地心引力。

水循環(huán)過程3個階段：蒸發(fā)（Evaporation）、降水（Precipitation）、徑流（Runoff)；

全球水循環(huán)過程和數(shù)量(2)水循環(huán)的類型根據(jù)水分循環(huán)的路徑和規(guī)模，可分為兩種：◆大循環(huán)——海陸之間的水分交換過程，也稱為海陸間循環(huán)?！粜⊙h(huán)——水僅在海洋或陸地內(nèi)完成的循環(huán)過程。分：海洋小循環(huán)陸地小循環(huán)。（3）水量平衡(WaterBalance)

全球水量平衡方程：PC+PO=EC+EO

式中，PC為大陸降水量；PO為海洋降水量；EC為大陸蒸發(fā)量；EO為海洋蒸發(fā)量。年平均大洋水平衡方程：P+R-E=0或P+R=E即大洋年降水量加入海徑流量等于大洋年蒸發(fā)量。全球年水量平衡(GlobalWaterBalance)

2．地下水的來源：一般從四個方面得到補(bǔ)充，包括：①入滲水：即大氣降水和地表水滲入地下進(jìn)入地下水系統(tǒng)中；②冷凝水：大氣中的水汽因溫度變化而過飽和冷凝為液態(tài)下滲——如干旱沙漠中的地下水；③初生水：也叫原生水，指自然因素下，H2、O2發(fā)生化合而形成的H2O。在火山區(qū)，變質(zhì)地區(qū)常見。④埋藏水：指過去因地質(zhì)原因被封閉于地下的“水包”現(xiàn)被破壞后釋放出來的水。此外還有人工補(bǔ)給來源以及不同類型地下水之間相互補(bǔ)給來源等包氣帶水：地表淺層不飽和水份帶中的水潛水：第一個廣泛分布穩(wěn)定隔水層上飽和帶中的重力水。承壓水：兩個隔水層間含水層中的液態(tài)水。3．地下水的類型（1）依據(jù)埋藏特點(diǎn)的不同，分為：Air-containingzone包氣帶Impermeablelayer隔水層Suspendingwater懸著水Stagnantwater上層滯水Unconfinedwater潛水Watertable潛水面Confinedwater層間水孔隙水（松散堆積層如，河流沖積物中）

裂隙水（基巖、黃土裂隙）

巖溶水（黃土、石灰?guī)r洞穴）（2）依據(jù)含水層（含水空隙）的性質(zhì)分水是自然界最常見的溶劑，地下水又與地下巖土體有更直接的接觸關(guān)系，同時地下水還承受一定的壓力，這都決定了地下水有更強(qiáng)的溶解能力。地下水中主要含有三類物質(zhì)。4．地下水的成份（1）氣體O2N2Cl2H2SH2NH3CH4CO主要?dú)怏w次要?dú)怏w上述氣體溶于水中，使地下水酸度增大，促使地下水與巖石（尤其可溶巖）發(fā)生反應(yīng)造成溶蝕，如果與建筑基礎(chǔ)材料接觸，也會對建筑基礎(chǔ)形成腐蝕。（2）可溶鹽離子陽離子：主要K+Na+Ca2+Mg2+次要Fe3+Fe2+Mn2+Si4+

H+NH+3陰離子：主要Cl-SO2-4HCO-3

次要OH-NO-3CO2-3--NO-2

（3）膠體物質(zhì)主要有Fe(OH)2Mg(OH)2SiO2(膠)Al(OH)3等以及一些有機(jī)質(zhì)（如腐殖酸）。此外，自然還應(yīng)攜帶較多的極細(xì)微碎屑物質(zhì)。

5．地下水的化學(xué)物理特征（1）化學(xué)性質(zhì)地下水的酸堿性：取決于水中氫離子濃度，常用pH值表示。

強(qiáng)酸性（pH<5)弱酸性（pH=5～7)中性（pH＝7)弱堿性（pH=7～9)強(qiáng)堿性（pH>9)

根據(jù)地下水pH值的大小，將水分成以下幾級：地下水的礦化度地下水中所含各種離子、分子與化合物的總量稱為礦化度（mineralizeddegree)，以每升水中所含的克數(shù)（g/L)表示。

地下水的礦化度分類表類別總礦化度（g/L)類別總礦化度（g/L)淡水小于1弱礦化水1～3中礦化水3～10高礦化水10～30咸水大于30地下水的硬度水的硬度（hardnessofwater)取決于水中Ca2+、Mg2＋的含量。硬度分為：總硬度、暫時硬度、永久硬度等?？傆捕龋綍簳r硬度＋永久硬度我國目前采用德國度（Germandegree)表示，1德國度相當(dāng)于1L水中含有10mg的氧化鈣（CaO）極軟水（小于4.2德國度）軟水（4.2～8.4德國度）微硬水（8.4～16.8德國度）硬水（16.8～25.2德國度）極硬水（大于25.2德國度）。（2）物理性質(zhì)顏色：地下水一般是無色的，但有時由于某種離子含量較多，或者富集懸浮物和膠體物質(zhì)，則可顯示出各種各樣的顏色;透明度:取決于其中的固體與膠體懸浮物的含量。按透明度將地下水分4級：透明的微濁的渾濁的極渾的嗅味：地下水通常無氣味，但當(dāng)其中含有某些離子或某種氣體時，出現(xiàn)特殊的氣味。味道：取決于地下水的化學(xué)成分，純水是無味的，但由于地下水中多少溶解了一些鹽類或氣體，因此，具有一定味感。

第二節(jié)地下水的埋藏特征

常用的地下水分類是按埋藏特征分為包氣帶水、潛水和承壓水三類，一般以潛水作為地下水的最上層類型，因此，地下水中的許多用語多與潛水特征有關(guān)。

指地下水面距離地面的高度在某一地區(qū)，將相同埋深的各點(diǎn)聯(lián)成圈閉曲線，則構(gòu)成地下水等埋深線圖，可直觀判別地下水的埋藏深淺。

地下水的埋深指以海拔高程表示的地下水（潛水）水面的高度。將相同高程的各水面點(diǎn)聯(lián)成圈閉曲線，則構(gòu)成地下水等水位線圖，它不能反映地下水的埋深大小（需與地形圖配合使用才行），但由可它判斷地下水的流向和流速快慢。

地下水位一、包氣帶水包氣帶水：位于潛水面以上未被水飽和的地下水。土壤水；上層滯水（一)土壤水：埋藏于包氣帶土壤層中的水。（二）上層滯水：包氣帶中局部隔水層之上的重力水。①上層滯水接近地表，補(bǔ)給區(qū)和分布區(qū)一致②接受大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)的形式排泄③雨季獲得補(bǔ)充，旱季水量逐漸消耗，或干涸④上層滯水一般含鹽量低，易受污染⑤水量不大，季節(jié)變化強(qiáng)烈包氣帶和飽氣帶水示意圖二、潛水（一)潛水及其特征

潛水：埋藏于地表以下第一個穩(wěn)定隔水層之上的具有自由水面的重力水。潛水的要素；潛水位：潛水面任意一點(diǎn)的高程（H）埋藏深度：潛水面至地面的距離（T）含水層厚度：潛水面至隔水底板的垂直距離潛水埋藏示意圖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；H0—含水層厚度；H—潛水位1．潛水的特征根據(jù)潛水的埋藏條件，潛水具有以下基本特征；（1）潛水具有自由水面（2）潛水的分布區(qū)和補(bǔ)給區(qū)基本上是一致的（3）潛水的動態(tài)隨季節(jié)不同而有明顯變化（4）上部因無連續(xù)隔水層覆蓋，易受到污染2．潛水面的形狀及其表示方法（1）潛水面的形狀在自然界中，潛水面的形狀因時因地而異，受地形、地質(zhì)、氣象、水文等自然因素和人為因素的影響。

一般情況下，潛水面不是水平的，鄰近洼地是傾斜的曲面。潛水面的形狀與地形有一致性，一般地面坡度越陡，潛水面坡度也越大。但潛水面坡度總是小于地面坡度，比地形要平緩得多。氣象、水文因素會直接影響潛水面的變化，如大氣降水和蒸發(fā)，可使?jié)撍嫔仙蛳陆怠＃?）潛水面的表示方法常用兩種圖示方法，兩種方法常配合使用。剖面圖；平面圖剖面圖:根據(jù)鉆孔、試坑和井、泉的地層柱狀圖資料，繪制地質(zhì)剖面圖。后畫出剖面圖上各井、孔等的潛水位、連出潛水面，即繪成潛水剖面圖。平面圖：等水位線圖。其繪制方法與繪制地形等高線圖基本相同，潛水面隨季節(jié)變化非常明顯，所以等水位線圖要注明測定水位的日期。水文地質(zhì)剖面圖1—粘性土；2—砂；3—砂礫石；4—砂；5—頁巖；6—石灰?guī)r；7—地下水位潛水等水位線圖及埋藏深度圖1—地形等高線；2—等水位線；3—等埋深線；4—潛水流向；5—潛水埋藏深度為零區(qū)；6—埋深0-2m區(qū)；7—埋深2-4m區(qū)；8—埋深大于4m區(qū)根據(jù)潛水等水位線圖可以解決下列問題：

1)確定潛水的流向

2)確定潛水面的坡度

3)確定潛水與河水的相互關(guān)系

4)確定潛水的埋藏深度

5)確定含水層的厚度

6)推斷含水層透水性及厚度的變化三、承壓水（一)承壓水及其特征承壓水：是充滿于兩個穩(wěn)定隔水層之間的具有靜水壓力的重力水。隔水頂板：承壓水含水層上部的隔水層。隔水底板：下部的隔水層。承壓含水層的厚度:

穩(wěn)定水位：初見水位：正水頭：承壓水位高出地面的稱作（H1)，負(fù)水頭：低于地面的稱作（H2)。承壓水的埋藏條件，決定了它與潛水具有不同的特征：1)具有承壓性能，其頂面為非自由水面；2)分布區(qū)與補(bǔ)給區(qū)不一致；3)動態(tài)受氣象、水文因素的季節(jié)性變化影響不顯著；4)厚度穩(wěn)定不變，不受季節(jié)變化的影響；5)水質(zhì)不易受到污染。（三)承壓水等水壓線圖承壓水等水壓線：承壓水位標(biāo)高相同點(diǎn)的連線。根據(jù)等水壓線圖，可以分析確定以下幾個問題：1)確定承壓水的流向2)計(jì)算承壓水某地段的水力坡度3)確定承壓水位距地表的深度4)確定承壓含水層的埋藏深度5)確定承壓水頭的大小承壓水位與含水層頂板高程之差，即為承壓水頭高度。承壓水位標(biāo)高相同點(diǎn)的連線，便是承壓水等水壓線。等水壓線圖，可反映承壓水（位）面的起伏情況。潛水面實(shí)際存在，承壓水面是一個勢面，可與地形極不吻合，甚至高出地面。承壓水等水壓線圖通常要附以含水層頂板等高線。第三節(jié)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件

一、地下水的補(bǔ)給地下水的補(bǔ)給：地下水含水層從外界獲得水量的過程稱。地下水的補(bǔ)給來源：（一)大氣降水的補(bǔ)給（二)地表水的補(bǔ)給河水補(bǔ)給地下水.swf（三)凝結(jié)水的補(bǔ)給（四)含水層之間的補(bǔ)給（五)人工補(bǔ)給注水隆升.WMV二、地下水的徑流地下水的徑流：地下水在巖層空隙中的流動過程。（一)地下水徑流的產(chǎn)生及影響因素重力和自然地質(zhì)營力是徑流產(chǎn)生的根本原因。地下水徑流主要受下列因素影響：（1)含水層的空隙性（2)地下水的埋藏條件（3)補(bǔ)給量（4)地形（5)地下水的化學(xué)成分（6)人為因素（二）地下徑流量的表示方法徑流率（徑流模數(shù)M）：單位（1km2）含水層面積上的地下水流量（m3/（S?km2）如：年平均地下徑流率可按下式計(jì)算：受補(bǔ)給、徑流條件的控制，其數(shù)值大小是隨地區(qū)和季節(jié)而變化的。三、地下水的排泄地下水的排泄：含水層失去水量的過程。地下水的排泄方式：泉、河流、蒸發(fā)、人工排泄。

抽水地面沉陷.WMV（一)泉水排泄泉：地下水的天然露頭。自流形成原理.swf（2)泉的分類按其補(bǔ)給來源1)上層滯水泉2)潛水泉3)承壓水泉根據(jù)泉的出露原因可分為：

1)侵蝕泉2)接觸泉3)溢出泉4)斷層泉（二)向地表水的排泄地表水接受地下水排泄的方式有兩種：散流式，集中式：（三)蒸發(fā)排泄蒸發(fā)：水由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程。是垂直排泄排泄形式。土壤蒸發(fā)；植物蒸發(fā)（蒸騰）；受溫度、濕度、風(fēng)速、埋深、巖性影響。（四）不同類型含水層之間的排泄作用潛水承壓水承壓水潛水補(bǔ)給條件：水流通道；有水位（頭)差。地下水可沿巖石中的連通孔隙或土顆粒間隙作緩慢流動，稱為滲流。在工程地質(zhì)中，一般將滲流作為層流對待，因此其流動符合達(dá)西定律；即：Q=k.A.iQ——滲透流量m3/d；k——滲透系數(shù)m/dA——過水?dāng)嗝娣e；i——水力坡度。四、地下水的運(yùn)動（1）達(dá)西定律QSoilssample

Ah1h2Lbucket滲透系數(shù)試驗(yàn)裝置示意其中滲透系數(shù)k值是衡量所有巖土體滲透性大小的主要指標(biāo)，一般規(guī)定：k≥0.001m/d稱透水層k<0.001m/d稱隔水層各類巖土的滲透系數(shù)值可參考相關(guān)資料。

地下水的運(yùn)動盡管緩慢，但對地下巖土體仍可產(chǎn)生較大程度的沖刷，如黃土中經(jīng)常出現(xiàn)的地下土洞就是地下水沖刷作用的結(jié)果。

（2）地下水流向井的穩(wěn)定運(yùn)動

地下水向潛水完整井運(yùn)動裘布依公式：K——滲透系數(shù)，m／d；H——潛水含水層天然水位，m；h——井內(nèi)動水位至含水層底板的距離，m；R——影響半徑，m；r——井半徑或管井過濾器半徑，m。

地下水向承壓水完整井運(yùn)動M——承壓含水層厚度，m；s——承壓井抽出時井內(nèi)的水位下降值，m。裘布依公式：五、地下水的動態(tài)**在各種有關(guān)因素的影響下，地下水的水位，水量、水質(zhì)隨時間作有規(guī)律的變化過程，稱為地下水動態(tài)。自然因素：氣象、水文、地質(zhì)、土壤和生物等潛水動態(tài)，氣象和水文因素的作用是主要的。承壓水動態(tài)，氣象和水文因素的影響較小，而地質(zhì)因素的影響相對增強(qiáng)。（1）地下水動態(tài)的影響因素

人為因素：采水、排水、修建水庫，利用地表水灌溉，跨流域調(diào)水等（2）地下水天然動態(tài)類型滲入——蒸發(fā)型動態(tài)：主要出現(xiàn)于干旱、半干旱的平原與山間盆地中；滲入——徑流型動態(tài)：補(bǔ)給也來自降水或地表水的入滲，排泄則主要為水平的徑流流泄。

滲入——蒸發(fā)、徑流型動態(tài)：主要分布于濕潤氣候下的平原。

第四節(jié)地下水的作用及其對工程的影響*潛蝕：地下水對地下巖土體的化學(xué)溶蝕與機(jī)械沖刷作用，稱為潛蝕。黃土塌陷地下巖溶指地下水通過運(yùn)動對巖土體造成的機(jī)械沖刷與攜帶作用。在建筑地基巖石中，其作用形式主要有：1．地下水的沖蝕作用（1）流土與管涌流土：指成份比較均一（級配良好）的固體顆粒隨地下水運(yùn)動而從巖土體中流失的過程。管涌：指細(xì)顆粒在水頭作用下從大顆粒支架起的空隙中運(yùn)動流失進(jìn)而造成巖土體結(jié)構(gòu)瓦解的作用（級配不良，如：在河床相沉積層中）。（2）黃土巖溶

指地下水的掏挖引起黃土上層塌陷形成黃土漏斗（碟）、窩穴等類似可溶巖區(qū)巖溶的現(xiàn)象。2．地下水的溶蝕作用

地下水以其溶解能力及攜帶酸性成份的化學(xué)反應(yīng)能力對可溶巖（石灰?guī)r、白云巖、建筑砼基礎(chǔ)等）進(jìn)行溶解侵蝕、攜帶以及再結(jié)晶的過程稱為地下水的溶蝕作用。（1）巖溶：也稱喀斯特（Karst），特指可溶巖石區(qū)在地下水的溶蝕作和下形成的一系列地貌景觀總和，包括落水洞、地下河、溶洞以及溶洞內(nèi)的石筍、石鐘乳、石柱、石幔等微景觀，主要反應(yīng)是：CaCO3+H2O+CO2Ca(HCO3)2

（2）建筑基礎(chǔ)的腐蝕地下水對建筑基礎(chǔ)中的某些材料也可產(chǎn)生腐蝕，