工程地質(zhì)第五章.ppt

1、鄭州高等院校土木工程學學院、工程科學地質(zhì)學、教授劉忠玉、第五章地下水及其對建筑施工的影響、第一節(jié)地下水的賦存、地殼巖石層的縫隙中賦予的各種形式的水統(tǒng)稱為地下水，其中在重力作用下可以運動的地下水也稱為重力水(gravitational water )。 一、巖石孔隙特征因巖石孔隙的原因而異，孔隙可分為孔隙、裂隙、溶隙三種，巖土孔隙率的大小主要與粒子的形狀、排列狀況及粒子的選擇性和壓實、膠著狀況有關(guān)。 疏沉積物的孔隙率一般為20%，(1)存在于孔隙(pore )疏巖石中的粒子或粒子集合體之間的孔隙，稱為孔隙。 用孔隙率(porosity )表示。 裂縫主要是由地殼運動破壞巖石而形成的，在巖石成巖時

2、和地表風化而形成裂縫。 巖石的裂縫率一般比松散泥積物的孔隙率小得多。 裂縫率始終小于3%，(二)裂縫堅硬的巖石受地殼運動及其內(nèi)外地質(zhì)經(jīng)營力作用的影響而產(chǎn)生的孔隙稱為裂縫(fissure )。 用裂紋率表示。 (3)溶解間隙將可溶巖中的裂縫在地下水流的作用下長期溶解而形成的空隙稱為溶解間隙(solvi )。 用溶解率表示。 (4)由于孔隙大小、孔隙間的連通性和分布規(guī)律疏土孔隙的大小和分布比較均勻，而且連通性好，所以孔隙度可以表示一定范圍內(nèi)孔隙發(fā)育狀況的巖石裂縫，其寬度、長度和連通性差異大，分布也不均勻， 裂縫率只能表示被測定范圍內(nèi)的裂縫的發(fā)育程度的溶解間隙的大小有很大差異，分布不均勻，連通性更差

3、，因此溶解間隙率的代表性更差。 二、巖石的水力性質(zhì)，1保水性：巖石具有容納和保持一定水量的性能稱為保水性，保水度是表示巖石保水性的水文地質(zhì)指標。 其數(shù)值在自然狀態(tài)下，等于保持的水的體積與巖石整體的體積之比，用小數(shù)或百分率表示。 2給水性：重力的影響下重力水從飽水巖石流出的能力稱為給水性。 其指標為供水度，數(shù)值等于流出水體與巖石總體積之比，以小數(shù)或百分率表示。 因此，供水度等于飽和保水度與最大分子保水度之差。 3透水性：巖石自身的透水能力稱為透水性。 巖石透水性的強弱可以用滲透系數(shù)(k )表示。 三、水在巖石中的賦存形式的空隙中存在5種形式的水：氣體水vaporous water、結(jié)合鍵bond

4、 water、重力水gravitational water、固體水、毛細水capillary water。 重力水存在于巖石粒子之間，位于結(jié)合層之外，不受粒子靜電引力的影響，可在重力作用下移動。 具有液態(tài)水的一般特征，可以傳遞靜水壓力，可以產(chǎn)生浮力、孔隙水壓力，在運動中產(chǎn)生動水壓的溶解能力，使巖石產(chǎn)生化學潛蝕，導(dǎo)致巖石成分和結(jié)構(gòu)的破壞。 四、含水層和隔水層、含水層(aquifer )是指給予相當數(shù)量的重力水能夠透過的巖層。 構(gòu)成含水層的條件有： (1)巖石中存在空隙，充滿一盞茶數(shù)量的重力水；(2)這些個的重力水可在巖石間隙中自由移動。 隔水層(aquifuge； impermeable lay

5、er )是指給水不能透過的巖層。 可以含水，但沒有容許相當量的水透過的性能。 第二節(jié)地下水的物理性質(zhì)和化學成分，一、地下水的物理性質(zhì)、地下水的物理性質(zhì)包括溫度、顏色、透明度、氣味、密度、導(dǎo)電性和放射性等。 純地下水必須無色、無味、無臭、透明，但若含有一部分化學成分，則物理性質(zhì)會發(fā)生變化。 1溫度temperature地下水溫度因深度而異。 接近地表的地下水，其溫度受氣溫的影響而周期性變化：一般在日常的溫層以上，水溫有明顯的晝夜變化。在年常溫層以上，水溫季節(jié)性變化的年常溫層中，地下水溫的變化小，一般在0.1以下，而在年常溫層以下，地下水溫度隨著深度的增加而逐漸上升成為增溫層，其變化規(guī)律取決于一個

6、地區(qū)的地熱增溫水平。 所謂地熱增溫水平，是指在常溫層以下，溫度每上升一次就增加的深度，單位是m/。 各地地熱增溫水平不同，一般為33m/。 地下水溫地區(qū)的分布差異很大。 在新火山地區(qū)，地下水溫達到100以上。 例如，在搶先版察加半島、冰南非蘭特、日本等噴泉也有。 在寒帶、極地、高山地區(qū)地下水的溫度低，有的甚至低到-5。 在溫帶和亞熱帶地區(qū)的平原，淺層地下水的年平均溫度經(jīng)常接近或略高于所在地區(qū)的年平均氣溫。 地下水在一定的地質(zhì)條件下，受地球內(nèi)部熱能的影響而形成地下熱水。 這是沿著一定的通路，如斷裂破碎帶和鉆孔等向上涌，使地熱的增溫水平大幅度提高，被稱為地熱異常區(qū)。 具有良好地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件

7、的地熱異常區(qū)，可形成富含大量地下熱水或天然蒸汽的地熱田。 雙色color地下水一般是無色的，但由于其化學成分含量的差異和浮游雜質(zhì)的存在，往往呈現(xiàn)各種顏色。 含有三氧化二鐵元素的水，多呈褐色紅色；含有腐殖質(zhì)的水，呈暗黃褐色。 3 .透明度transparency中常見的地下水往往是透明的，但其中含有固體和膠體懸浮物時，地下水的透明度就會發(fā)生變化。 4 .氣味odor一般地下水無味，其中若含有某種氣體成分和有機物質(zhì)，則會產(chǎn)生一定的氣味。 地下水中含有硫化氫(H2S )瓦斯氣體時，有異味的有機物會給地下水帶來魚臭。 5 .味道taste地下水的味道依賴于其化學成分和溶解的瓦斯氣體。 含有大量氯化納金

8、屬釷(NaCl )的話，可以調(diào)味到水中的納金屬釷、鎂的硫酸鹽，在水中含有苦味的二氧化碳大量溶解的時候，含有適量的重碳酸(Ca(HCO3)2)和重碳酸鎂(Mg(HCO3)2)，味道很清爽二、地下水的化學成分以主瓦斯氣體成分： N2、O2、CO2、H2S主絡(luò)離子成分： Na、k、Ca2、Mg、Cl-、SO42、HCO3-膠體成分和有機質(zhì)一漲水所含的各種絡(luò)離子g/L表示。 為了說明水中鹽分的多少，是地下水化學成分的重要標識牌。 通常，水中Ca2和Mg2的含量稱為硬度。 硬度分為臨時硬度和永久硬度。 由于加熱煮沸后在水中Ca2和Mg2的一部分消失，因此將該部分的Ca2和Mg2的數(shù)量稱為臨時硬度。 加熱

9、煮沸后也溶于水的Ca2和Mg2，帶來堅硬的硬度，被稱為永久硬度。 第三節(jié)地下水分類、埋藏條件類別：上層滯水、潛水、承壓水含水層的孔隙性質(zhì)類別：孔隙水、裂隙水、巖溶水、5.2地下水類型、1、上層滯水、潛水、承壓水；(1)上層滯水補給區(qū)與分布區(qū)一致的補給源是大氣降水或地表水蒸發(fā)、下滲透； 或者向隔水層的邊緣流動排泄的動態(tài)變化不穩(wěn)定，有季節(jié)性，因為只有暫時且小型的供水水源容易被污染，所以在制作飲用水時要注意防止污染。 上層積水的動態(tài)變化主要由氣候決定，并與含水層的分布范圍、厚度、透水性及埋藏深度等有關(guān)。 降水強度大，降水季節(jié)長，蒸發(fā)量小，其下滲水量大則上層積水存在的時間也長。 相反，如果降水強度小、

10、降水季節(jié)短、蒸發(fā)量大，則上層滯水存在的時間變短。截水層的分布范圍不大、厚度小、隔水性不強、蘊藏量淺時，上層滯水不斷向周圍流動，下滲透以及蒸發(fā)的結(jié)果是，其存在時間短，截水層的分布范圍和厚度大，蘊藏量深，在截水性良好的條件下，上層滯水的存在時間長。 (2)潛水(phreatic water )埋藏于地表以下最初的穩(wěn)定含水層上，具有自由表面的重力水稱為潛水。 潛水的自由表面被稱為潛水面(free-water table )。 潛水面的絕對標高稱為潛水位(phreatic water level )。 從潛水面到地面的距離稱為潛水埋藏深度。 從潛水面到隔水層的頂面之間充滿重力水的部分稱為含水層。 從潛

11、水面到隔水層頂面的距離稱為含水層的厚度。 我們?nèi)粘Ｊ褂玫木话闶菨撍┧婢褪沁@一點的潛水面。 潛水埋藏條件決定了潛水面不受靜水壓力和潛水面不受靜水壓力的特點分布區(qū)與補給區(qū)一致，動態(tài)變化不穩(wěn)定，有明顯季節(jié)變化的潛水補給條件好，水量豐富的潛水水質(zhì)隨氣候變化，易受污染。 潛水面的形狀通常是具有一定傾斜度的曲面。 一般來說，潛水面的形狀與地形基本一致，但比地形的起伏平緩得多。 巖土的透水性增強，潛水面的坡度變緩，反而變陡。 擋水底板凹陷增大含水層厚度的區(qū)域，潛水面的坡度有變緩的傾向，反而變陡。 在隔水層凹盆中，潛水不向上溢出時，潛水面呈水平狀態(tài)，稱為潛水湖。 潛水面用潛水等水位線圖表示，是

12、潛水面各點水位標高的等值線圖。 一般描繪在地形圖上，根據(jù)潛水面上的各點的水位水平來描繪，其中的水位水平連接同一個點。 水位會隨時間而變化，請選擇同一日期的資料，并在圖上標明測量水位的日期。 在該地區(qū)，如果有不同時期的潛水等水位線圖，可以通過相互對比了解潛水面的變化。 決定潛水的流向：潛水向潛水面坡度最大的方向流動。 因此，與潛水等水位線垂直的從高水位向低水位的方向就是潛水的流動。 確定潛水水力梯度：確定潛水水流后，在水流方向上任意取兩點水位差，除以這兩點之間的實際距離，可得到潛水水力梯度。 決定潛水埋藏深度：如果將地形等高線和潛水等水位線繪制在同一個圖中，則等水位線和地形等高線相交的點，如果該

13、點的潛水埋藏深度即道路交叉口不存在，則可以用插值法求出兩者的標高差。 4 )確定潛水和地表水的相互關(guān)系：在地表水(河流)相鄰地區(qū)繪制潛水等水位線，可以測量地表水水位，確定潛水和地表水的相互補給關(guān)系。 5 )推定含水層的巖性或厚度的變化；6 )確定取水工程：為了使?jié)撍畲笙薅鹊亓魅牍┧团潘郏人痪€的凹凸、疏密不均的情況下，取水井應(yīng)配置在地下水匯合部。 如下圖所示。 等水位線由密變薄時，請配置在由密變薄的邊界，與等水位線平行。 溝槽應(yīng)與等水位線平行配置。 潛水對工程的影響和措施：影響建筑物的穩(wěn)定性和施工。 希望地基選定為潛水位深的地帶，或者淺埋基礎(chǔ)，盡量避免水下工程。 對施工有害時，最好采

14、取排水、水位下降、隔離等措施處理。 (3)對充滿2個穩(wěn)定隔水層之間的含水層施加壓力的地下水承壓水(confined water )。 兩個穩(wěn)定含水層之間的含水層未完全充滿水，具有自由水面的地下水稱為無壓層間水。 上下隔水層分別稱為隔水層頂板和底板。 兩隔水層之間的垂直距離是承壓水含水層的厚度。用鉆頭貫通隔水層的頂板時，在靜水壓力的作用下水位不再上升到一定的高度時，這種最終的穩(wěn)定水位稱為這一點的耐壓水位。 從隔水層頂板底面到受壓水位的垂直距離稱為受壓水頭，也稱為壓力水頭。 承壓水含水層在盆地邊緣露出地表的位置較高，能夠從大氣降水和地表水直接補給的范圍稱為補給區(qū)。 承壓水含水層位于受壓盆地的邊緣，

15、地勢低的地區(qū)和含水層被切斷，該地區(qū)成為承壓水的排泄區(qū)。 在補給區(qū)和排泄區(qū)之間，受壓含水層上面被遮水層復(fù)蓋，含水層充滿水，這種區(qū)稱為受壓區(qū)。 承壓水的埋藏條件決定了承壓水具有一定的壓力水頭，承壓水具有一定的壓力水頭。 補給區(qū)與受壓區(qū)不一致的動態(tài)變化較穩(wěn)定，無明顯季節(jié)變化補給條件差，大規(guī)模開發(fā)后，補水和恢復(fù)慢的水質(zhì)隨埋深變化較大，有垂直分離規(guī)律，但不易受污染。 承壓水的形成主要受地質(zhì)構(gòu)造控制，確定了承壓水的埋藏類型因地質(zhì)構(gòu)造而異。 耐壓水形成的最佳地質(zhì)構(gòu)造可大致分為斜結(jié)構(gòu)和單斜結(jié)構(gòu)。 因此，承壓水的形成分為傾斜盆地(synclinal basin ) :適合形成承壓水的盆地構(gòu)造或傾斜構(gòu)造，在水文地

16、質(zhì)學中稱為傾斜盆地或受壓盆地。受壓斜地：適于形成受壓水的單斜構(gòu)造，在水文地質(zhì)學中稱為受壓斜地。 這分為兩種情況。 也就是斷塊構(gòu)造與含水層交叉而產(chǎn)生的受壓斜地。 當單斜含水層被斷層錯誤地截斷、斷層被引入時，含水層暴露于地表的一側(cè)為補給區(qū)，而另一側(cè)則沿斷裂帶形成帶狀排泄區(qū)，在適當?shù)牡匦螚l件下，沿斷裂帶以一系列上升泉的形式暴露于地表，因此受壓區(qū)位于補給區(qū)與排泄區(qū)之間。 斷層不引水時，排泄區(qū)和補給區(qū)相鄰，受壓區(qū)在另一側(cè)。 含水層的巖性會發(fā)生由粗糙向細粒的過渡相，甚至會發(fā)生尖滅，使承壓水逆流，從而在含水層暴露于地表的較低區(qū)域形成上升泉并釋放出來。 此時補給區(qū)與排泄區(qū)相鄰，受壓區(qū)位于一側(cè)，受壓水等水壓線圖

17、工程危害：可能引起基坑突涌，破壞基坑底的穩(wěn)定性。 二、孔隙水、裂隙水、巖溶水、(一)孔隙水存在于疏松巖層(第四系和硬基巖的風化殼)的空隙中，通常呈現(xiàn)均勻連續(xù)的層狀分布. 其存在條件和特征取決于巖石的孔隙狀況。 無論如何，粒子大而均勻的話，含水層的空隙也大，透水性好，地下水水量大，運動快，水質(zhì)好反而含水層的空隙小，透水性差，地下水運動慢，水質(zhì)差，水量也小。 根據(jù)埋入條件，分類空洞-上層滯水、空洞-潛水、空洞-耐壓水。 (二)裂隙水(fissure water )，裂隙水是指埋藏在巖石裂縫中的地下水，主要分布在山區(qū)和第四系松散層下的基巖，裂縫的性質(zhì)和發(fā)育程度決定了裂水的存在和富水性. 裂隙的原因分

18、為風化裂隙水、成巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水。 1 )風化裂隙和風化裂隙：風化裂隙是由巖石風化作用形成的，其特征廣泛分布于巖盤表面，延伸完整，無一定方向，發(fā)育密集均勻，構(gòu)成相互連通的裂隙系統(tǒng)，一般發(fā)育深度為數(shù)米至數(shù)十米，少數(shù)達100米以上。 風化裂隙水多為潛水，具有統(tǒng)一水面，多分布于裸露基巖表層，其下的新鮮基巖是含水層的下限。 水平方向透水性均勻，垂直方向隨深度變?nèi)酢?其補給源主要是大氣降水，補給量大小受氣候和地形因素的影響很大，氣候潮濕，雨和地形平緩的地區(qū)豐富，往往以泉的形式排泄到河流。 2 )成巖裂隙和成巖裂隙水：成巖裂隙是巖石形成過程中產(chǎn)生的空隙，多見于巖漿巖。噴出巖類成巖裂縫特別是玄武巖最發(fā)達，這種裂縫在水平方向和垂直方向都是均勻的，有固定的層位，相互連通。 侵入巖的成巖裂縫通常在