工程地質(zhì)與水文地質(zhì)－地下水

工程地質(zhì)與水文地質(zhì)凌賢長

博士·教授·博士生導師地下水地下水。地下水來源與循環(huán)。地下水物化性質(zhì)。含水層與隔水層地下水存在形式。地下水埋藏類型。泉。地下水運動規(guī)律。地下水地質(zhì)作用。地下水工程危害。地下水合理利用與地下水污染。地下水來源與循環(huán)地下水來源大氣降水。冰雪融水。地表水。沉積物夾帶水。深部來源水。地下水地下水：賦存于地下巖土空隙中的水。地下水循環(huán)地下水參與全球水循環(huán)。

滲透地下水大氣水蒸發(fā)降水滲透滲透地表流水冰雪融水海洋水湖泊水水庫水河流滲透地下水物化性質(zhì)地下水物理性質(zhì)溫度－取決于氣候和地質(zhì)條件。顏色－取決于化學成分和懸浮物。透明度－取決于礦物質(zhì)、懸浮物、有機質(zhì)、膠體。氣味－取決于氣體、有機質(zhì)、礦物質(zhì)。味道－取決于化學成分。導電性－取決于電解質(zhì)，也受溫度影響。地下水化學成分及其變化地下水均具有一定的化學活性與礦化度。因而，地下水是一種良好的天然溶劑。地下水在運移工程中持續(xù)不斷地與巖土發(fā)生作用并溶解巖土中的可溶物質(zhì)，從而使其變成具有一定化學活動性的流體。在地下水的補給、徑流、排泄過程中，由于受地質(zhì)背景、地理環(huán)境、氣象條件、人類活動的影響，地下水將發(fā)生濃縮、混合、離子交換與吸附、脫硫酸和碳酸作用，促使地下水的化學成分不斷變化。地下水化學成分及其變化地下水中常見的元素，有的在地殼中含量較高且在水中具有一定溶解度，有的在地殼中含量并不很大、但在水中溶解度則相當大。地下水中分布最廣、含量較多的離子有Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3－等。某些元素雖然在地殼中含量很大、但是在水溶解度很小，因而在地下水中的含量一般并不高，如Si、Fe等。地下水化學成分及其變化由于鹽類在水中溶解度不同，致使離子與地下水礦化度之間有一定規(guī)律。在地下水中，氯鹽溶解度最高，硫酸鹽次之，碳酸鹽較小，鈣的硫酸鹽【特別是鈣、鎂碳酸鹽】溶解度最小。隨地下水礦化度增大，鈣、鎂碳酸鹽最先達到飽和并沉淀析出，既之鈣硫酸鹽也飽和析出。地下水中主要氣體成分及其來源氧氣－主要來源于大氣。氮氣－主要來源于大氣，次之來源于生物作用和變質(zhì)作用。硫化氫－一部分來源于缺氧還原環(huán)境中的微生物作用，另一部分來源于深部油氣層中。甲烷－主要來源于深部油氣層中。二氧化碳－一部分來源于有機質(zhì)的氧化作用和生物化學作用，一部分來源于碳酸鹽巖的分解作用。地下水中的主要離子成分及其來源氯離子－幾乎存在于所有的地下水中且含量一般較高，主要來源于溶解鹽和氯化物，次之來源于海水倒灌和污染物。硫酸根離子－在地下水中含量僅次于氯離子，主要來源于硫酸鹽、硫化物、含硫礦物，次之來源于污染物。重碳酸根離子－在地下水中廣泛分布、但含量一般很少，主要來源于碳酸鹽巖的溶解作用。地下水中的主要離子成分及其來源鈉離子－在地下水中廣泛存在、但含量變化極大，主要來源于巖鹽和含鈉巖石的溶解作用。鉀離子－在地下水中分布較廣、但含量一般很少，主要來源于巖鹽和含鉀巖石的溶解作用。鈣離子－在地下水中廣泛分布、但含量一般很少，主要來源于碳酸鹽巖的溶解作用。鎂離子－在地下水中廣泛分布、但含量一般很少，主要來源于白云巖和泥灰?guī)r的溶解作用。含水層與隔水層含水層：能夠給出并透過相當數(shù)量地下水的地層。構(gòu)成含水層的條件，一是地層中含有空隙且充滿足夠數(shù)量的地下水，二地下水能夠在地層空隙中運移。隔水層：不能給出并透過地下水的地層，或地層給出與透過地下水的數(shù)量微不足道。地下水存在形式氣態(tài)。液態(tài)。固態(tài)?？紫端?。裂隙水。溶隙水。毛細水。自流水重力水。粗砂土中砂土細砂土粘質(zhì)粉土粉質(zhì)粘土粘土2～4cm12～35cm35～120cm120～250cm250～350cm500～600cm毛細水上升高度毛細壓力地下水埋藏類型包氣帶水。上層滯水。飽和帶水。潛水。承壓水。。包氣帶水潛水承壓水飽和帶水隔水層隔水層上層滯水地表飽和帶水包氣帶水：潛水面以上且充分包氣地帶的地下水，水量小、含水層不飽和且直接與大氣連通，包括土壤水、沼澤水、上層滯水、風化殼中季節(jié)水，主要補給源為地表徑流、次之為潛水及沉積物夾帶水，主要特征為易被污染、動態(tài)極不穩(wěn)定，并且受控于氣候條件且隨季節(jié)變化大，雨季水量多、旱季水量少或干涸。上層滯水：包氣帶中位于局部隔水層上的地下水，主要補給源為地表徑流、次之為潛水及沉積物夾帶水，隨季節(jié)變化且易被污染。飽和帶水：潛水面以下且直接與大氣連通地帶的地下水，含水層飽和，主要補給源為地表徑流、次之為承壓水及沉積物夾帶水，隨季節(jié)變化且易被污染。潛水潛水：第一隔水層之上且具有自由水面的重力水。潛水主要存在于第四紀松散沉積層中，沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖的空隙中也有分布。潛水因大氣壓、氣候、季節(jié)、地形、地質(zhì)構(gòu)造、含水層透水性、隔水層頂板形狀、補給源、植被、人為因素不同而明顯變化，主要表現(xiàn)為潛水的水位、埋深、水面、水溫、物理性質(zhì)、化學成分、水量等的動態(tài)變化。潛水春、夏多雨季節(jié)，潛水位上升、水量增大。秋、冬少雨季節(jié)，潛水位下降、水量減少。潛水的水溫也隨季節(jié)有規(guī)律變化。潛水的水質(zhì)易被污染，尤其是環(huán)境災變或突變、排污、過量開采、工程活動等。潛水流動方向上，含水層透水性增強。含水層厚度較大處，潛水面較平緩。隔水層頂板隆起處，潛水層厚度減小。潛水面接近地表，可以形成泉。若河流與潛水層有水力聯(lián)系，河水可補給潛水、潛水也可補給河流。河流中、上游一般為潛水補給河流，下游為河水補給潛水。深層地下水位較潛水位高，深層地下水補給潛水。承壓水承壓水：位于相鄰兩個隔水層之間且承受一定壓力的地下水【非重力水】，也稱為自流水。含水層的透水性愈好，壓力愈大，人工開鑿后能夠自流到地表。承壓水不受氣候影響，動態(tài)較穩(wěn)定，不易被污染。承壓水的形成與地質(zhì)構(gòu)造、沉積條件關系密切。適宜形成承壓水的地質(zhì)構(gòu)造大致有兩種：一是構(gòu)造盆地【自流盆地】；另一是單斜構(gòu)造【自流斜地】。同一地區(qū)自流盆地或自流斜地，可埋藏多個承壓含水層，各具有不同的穩(wěn)定水位、不同的水力聯(lián)系，主要取決于地形與地質(zhì)構(gòu)造之間關系。補給區(qū)承壓區(qū)排泄區(qū)自流盆地承壓區(qū)補給區(qū)排泄區(qū)自流斜地承壓水若地形與構(gòu)造一致【正地形】，下部含水層壓力高、并可補給上部含水層。若地形與構(gòu)造不一致【反地形】，上部含水層壓力高、并可補給下部含水層。承壓含水層直接出露地表，便形成潛水，依靠大氣降水補給。若承壓含水層的補給區(qū)出露于地表水體附近，補給源便是地表水體。若承壓含水層與潛水含水層有水力聯(lián)系，潛水也可能成為補給源。承壓水承壓水的徑流主要決定于補給區(qū)與排泄區(qū)的高差及其距離、含水層的透水性。一般說來，補給區(qū)與排泄區(qū)的距離短、水位差大且含水層的透水性良好，承壓水的徑流條件便好。相反，若補給區(qū)與排泄區(qū)的距離較遠、或水位差較小、或含水層的透水性較差，則承壓水的徑流條件便差、循環(huán)交替就緩慢。承壓水承壓含水層被河流切割，承壓水以泉的形式排出。斷層切割承壓含水層時，可能存在兩種情況：一是承壓水沿斷層以泉的形式排泄；另一是種斷層同時切割幾個含水層，致使各含水層建立水力聯(lián)系，壓力高的承壓水便補給壓力低的含水層。補給區(qū)承壓區(qū)排泄區(qū)正水頭負水頭承壓水層厚度包氣帶水潛水面潛水層隔水層承壓水面承壓水層隔水層承壓區(qū)補給區(qū)承壓區(qū)排蓄區(qū)泉泉：地下水的天然露頭，屬于地下水的主要排泄方式之一。泉的實際用途很廣，水量豐富、動態(tài)穩(wěn)定的泉可作供水水源，含碘、硫等元素的泉可作醫(yī)療、保健之用，此外研究泉對了解地質(zhì)構(gòu)造、地下水等有極大意義。泉往往出露于山麓、河谷、沖溝等地形低洼地帶，平原地區(qū)出露較少；有的泉出露后直接流入河流或湖泊中，水流清澈【泉出露的標志】；在干旱季節(jié)，周圍草木枯黃，但是泉的附近卻綠草如茵【泉出露的標志】。泉依據(jù)補給源的類型，泉可以分為承壓水泉、潛水泉及上層滯水泉三類。依據(jù)出露的原因，泉可以分為侵蝕泉、接觸泉及斷層泉三類。依據(jù)泉水的溫度，泉可以分為冷泉、溫泉兩類。潛水泉：又稱為下降泉，主要靠潛水補給，動態(tài)較穩(wěn)定，有季節(jié)性變化規(guī)律。承壓水泉：又稱為上升泉，主要靠承壓水補給，動態(tài)穩(wěn)定，年變化不大，一般分布在自流盆地和自流斜地的排泄區(qū)、構(gòu)造斷裂帶上。上層滯水泉：主要靠上層滯水補給，動態(tài)不穩(wěn)定，隨季節(jié)不同而變化，干旱、枯水季節(jié)泉斷流，梅雨、豐水季節(jié)泉出露。泉侵蝕泉：河谷、沖溝向下切割、侵蝕含水層，地下水涌出地表形成泉。接觸泉：當侵蝕切割含水層的隔水層底板時，迫使地下水從含水層與隔水層之接觸處出露形成泉。斷層泉：由于斷層作用使含水層被隔水層阻擋，地下水沿斷層上升形成泉。冷泉：泉水溫度相當于或略低于當?shù)啬昶骄販?，大多?shù)由潛水補給。溫泉：泉水溫度高于當?shù)啬昶骄販兀蠖鄶?shù)由深層自流水補給。溫泉起源于巖漿熱液和深部熱流對地下水的加熱。地下水運動規(guī)律一般情況下，地下水在地層空隙中運移速度極其緩慢，因而特稱為滲透或滲流。地下水的滲透受控于含水層的產(chǎn)狀、水力坡度【水位差】、空隙度、透水性、空隙大小、地溫等多種因素。地層的孔隙度與巖土的顆粒形狀、堆積程度、分選性有關。地層的透水性與空隙的連通程度有關。地下水的滲流通道曲折、復雜，一般表現(xiàn)為紊流形式，很少出現(xiàn)層流。紊流：水質(zhì)點的運動方向不一致、流線隨機交叉。層流：水質(zhì)點的運動平行一致、流線無交叉現(xiàn)象。顆粒形狀顆粒堆積程度顆粒分選性曲折、復雜的滲流通道紊流層流地下水滲流隨地形變化旱季潛水面雨季潛水面平均潛水面潛水面隨地形和季節(jié)變化在研究地下水運動規(guī)律時，不可能研究每個實際滲流通道中的水流運動，而是研究等效平均直線水流通道中的水流運動。也就是說，采用充滿整個含水層【包括空隙和巖土顆粒所占據(jù)的全部空間】的假想水流，代替僅在空隙中運動的實際水流?？障吨袑嶋H水流方向和水流通道等效平均直線水流方向和水流通道等效實際水流假想水流等效實際水流假想水流采用充滿整個含水層的假想水流代替僅在空隙中運動的實際水流的前提條件。假想水流通過任一過水斷面的流量必需等于實際水流通過同一過水斷面的流量。假想水流在任一過水斷面上的水頭必需等于實際水流在同一過水斷面上的水頭。假想水流在流動過程中所受的阻力必需等于實際水流在滲流過程中所受的阻力。基本假設地層的巖土屬于多孔介質(zhì)。地下水在地層中運移表現(xiàn)為滲透或滲流。自然條件下，地下水在地層中運移的阻力較大，因而為層流運動。達西定律計算式。

I-水頭梯度【物理意義：滲流單位長度的水頭損失】。K-滲透系數(shù)【物理意義：當水頭梯度I＝1時，滲透速度】。

達西【Darcy，法國水利工程師，1852－1855】定律據(jù)達西定律計算的滲透速度V與地下水在地層中的實際流速v之間關系。Q=AV=nAvV=nv由于n<<1，所以v>>V，即由達西定律計算的滲透速度V遠小于地下水在地層中的實際流速v。達西定律假設地層全部由空隙組成。過水斷面積為A。Q＝AV。實際地層由土粒和空隙組成。地層的空隙率為n。實際的過水斷面積為nA。Q=nAv。等效達西定律只適用于雷若系數(shù)不大于10的地下水滲流計算！而實際地下水滲流的雷若系數(shù)遠遠大于10，一般超過2300。地下水地質(zhì)作用地下水運行于巖土的孔隙和裂隙中，流速慢，機械作用不明顯，主要表現(xiàn)為化學溶蝕、溶運、沉積作用。巖溶：以地下水作用為主，對可溶性巖石進行各種化學溶蝕、溶運、沉積作用。巖溶形成條件：氣候濕潤，具有豐富的地下水和大量可溶性巖石，巖石裂隙、孔隙發(fā)育而有利于地下水滲流。巖溶地貌包括降落漏斗、溶洞、溶蝕平原、鐘乳石、石筍、峰林等。巖溶地貌降落漏斗溶洞溶蝕平原降落漏斗內(nèi)生長樹木降落漏斗形成地面塌陷、造成災害溶洞形成過程溶洞形成過程溶洞內(nèi)鐘乳石形成過程溶洞內(nèi)鐘乳石沉積巖溶地區(qū)因地下水滲流與溶蝕造成水庫干枯廣西龍州金龍水庫主壩滲流與干枯現(xiàn)狀【2003年5月】采用特種粘土固化漿液對金龍水庫主壩注漿建造防滲加固帷幕【2003年5月－11月】桂林峰林云南石林溶洞塌陷黃石公園碳酸鹽臺地黃石公園溶洞噴泉及邊緣碳酸鹽沉積地下水工程危害地下水屬于地層的重要組成部分之一。地下水的含量和滲流對地基巖土工程力學性質(zhì)的影響很大，尤其是對巖土的強度和變形產(chǎn)生重要作用。地下水位下降【如過量抽取地下水】將引起地基承載力降低、不均勻沉陷、失效，直接影響工程正常安全運營、甚至導致破壞。地下水位上升將引起地基巖土鹽漬化與返潮、基礎浮托等。地下水滲流將引起地基巖土的滲透變形與破壞，直接影響工程的穩(wěn)定與安全。地下水的凍、融災害。地下水工程危害過量抽取地下水可造成海水倒灌、地基巖土鹽漬化。地下水位上升將使地基無粘性土飽和度增大而變成可液化土層，在動荷載持續(xù)作用下發(fā)生砂土液化，引起地基承載力與強度降低、或失去承載力與強度降低。地下水可埋地對鋼筋混凝土、生命線工程等產(chǎn)生腐蝕作用?；?guī)r或其它可溶鹽巖地區(qū)的地下水將使地基發(fā)生溶蝕破壞作用，從而造成工程危害。有效應力原理地下水工程危害地下水的動水壓力產(chǎn)生流砂與潛蝕。作業(yè)：推導土顆粒有效重度的計算式地下水工程危害承壓水對基坑、隧道的破壞作用。如當隧道、深基坑周圍有承壓含水層時，必須分析承壓水是否能夠沖毀隧道襯砌、基坑四周與底部的地層，通常采用壓力平衡法驗算。地下水合理利用與地下水污染地下水的開采與利用必須合理。否則，過量開采地下水將形成降落漏斗，從而引起地下水位下降、地面沉降、海水倒灌等各種危害。地下水合理利用與地下水污染人類生活活動導致地下水污染。地下水合理利用與地下水污染城市垃圾堆放對地下水污染【固體垃圾滲透液對地下水污染】地下水合理利用與地下水污染過量開采地下水將引起海水倒灌。地下水合理利用與地下水污染