工程地质学课件.ppt

1 65 第六章地下水 第二节地下水的水质 第三节地下水的类型 第四节地下水的运动 主要内容 第五节地下水与工程建设 第一节地下水的概念 2 65 赋存在地表以下岩土空隙中的水 岩土的空隙 松散沉积物中的孔隙坚硬岩石中的裂隙可溶性岩石中的溶隙 连通性好 分布不均匀 连通性差 第一节地下水的概念 3 65 水在岩土中的存在形式 结合水 强结合水弱结合水非结合水 液态水毛细水重力水固态水气态水 4 65 岩土的水理性质 含水性容水度 岩土孔隙完全被水充满时的含水量 持水度 岩土在重力作用下释水时仍能保持的含水量 这部分滞留在岩土中的水为结合水和毛细水 2 给水性岩土在重力作用下能自由排出的含水量 给水度 容水度 持水度3 透水性岩土可透过水的性能 用渗透系数表示 5 65 含水层 aquifer 给出并透过相当水量的岩土层 隔水层 interlayer 不透水但可含水的岩土层 滞水层 弱透水的岩土层 含水层的形成条件 岩土层有较大空隙 为隔水层所限 有补给来源 6 65 第二节地下水的水质 化学性质pH值矿化度硬度 气体成分O2H2SCO2 离子成分Cl SO4HCO3 Na K Ca 2Mg 2 7 65 地下水对建筑材料的腐蚀性 溶出侵蚀 混凝土中Ca OH 2成分被水溶解 碳酸侵蚀 含侵蚀性CO2的水溶解混凝土中的钙质而使混凝土崩解 硫酸盐侵蚀 水中SO4 2与混凝土作用生成新的化合物 由于体积膨胀而胀裂 酸性侵蚀 pH值低的酸性水对混凝土具腐蚀性 镁盐侵蚀 水中镁盐与混凝土作用后生成化合物溶解于水 8 65 第三节地下水的类型 图6 2地下水的类型 9 65 地下水埋藏类型 图6 1地下水埋藏示意图1 承压水位 2 潜水位 3 隔水层 4 含水层 A 承压水井 B 自流水井 C 潜水井 10 65 上层滞水 perchgroundwater 包气带中聚集在局部隔水层之上的重力水 特征 接近地表 接受大气降水补给 以蒸发形式或向隔水底板边缘排泄 动态变化很不稳定 工程意义 常始料不及涌入基坑 供水意义不大 在寒冷地区易引起道路冻胀和翻浆 11 65 潜水 phreaticwater 图6 3地下水埋藏示意图1 沙层 2 隔水层 3 含水层 4 潜水面 5 基准面T 潜水埋藏深度 M 含水层厚度 H 潜水位 埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具自由水面的重力水 特征 与大气相通 具自由水面 补给区与分布区一致 动态受气候影响较大 潜水面形状受地形影响 12 65 潜水等水位线图 可解决如下问题 1确定潜水流向2确定潜水的水力坡度3确定潜水的埋藏深度4确定潜水与地表水的关系 虚线 潜水等水位线实线 地形等高线 13 65 潜水与地表水的关系 潜水补给河流 河流补给潜水 单侧补给 图6 6潜水与地表水之间的关系 a b c 14 65 承压水 pressurewater 充满于两个隔水层之间的含水层中承受水压力的重力水 A 补给区B 承压区C 排泄区 图6 7自流盆地剖面图 15 65 16 65 特征 不具自由水面 并承受一定的水头压力 分布区和补给区不一致 动态变化较稳定 不易受地面污染 承压含水层局部 H1 初见水位H2 承压水位H 承压水头h 承压水位埋深 17 65 承压水等水位线图 a b 图6 11 a 等水压线图 b 水文地质剖面1 地形等高线 2 承压含水层顶板等高线 3 等水压线 4承压水位线 5 承压水流向 6 自流区 7 井 8 含水层 9 隔水层 10 干井 11 非自流井 12 自流井 18 65 如图中A点 地形标高103m 承压水位91m 含水层顶板标高83m 则承压水位埋深为 103 91 12m承压水头为 91 83 8m含水层埋深为 103 83 20m 承压水等水位线图可确定下列重要指标 承压水位埋深承压水头大小含水层埋深 初见水位 19 65 武汉市 汉口 水文地质剖面 长江一级阶地土层厚30 50m典型二元结构K随深度呈对数增大上部黏性土中潜水下部砂砾石中承压水 20 65 上游河床中砂砾石 是良好的含水层 中游河漫滩沉积有上细 粉细砂 黏性土 下粗 砂砾 的二元结构 上层构成隔水层 下层为承压含水层 下游滨海平原上为潜水 埋藏浅不利于工程建设 下部多层承压含水层 不同含水层空隙中的地下水 冲积物中的孔隙水 21 65 洪积物中的孔隙水 潜水深埋带 潜水溢出带 潜水下沉带 22 65 裂隙水 按成因 风化裂隙水成岩裂隙水构造裂隙水按埋藏条件 面状裂隙水层间裂隙水脉状裂隙水 23 65 岩溶水 特点 空间分布极不均匀 动态变化强烈 流动迅速 排泄集中 24 65 按水头性质分 上升泉下降泉按出露原因分 侵蚀泉接触泉断层泉 泉 地下水在地表的天然露头 25 65 第四节地下水的运动 渗透流速V Q A实际流速u Q A V u 渗流过水断面A 26 65 水力坡降J dH dL 27 65 流网 由等水头线与流线正交组成的网格 28 65 均匀流 渗流速度沿流程不变 非均匀流 渗流速度沿流程变化 层流 水质点有秩序地呈相互平行而互不干扰的运动 紊流 水质点相互干扰而呈无秩序的运动 稳定流 渗流要素不随时间变化的运动 非稳定流 渗流要素随时间变化的运动 渗流分类 29 65 Darcy定律 Q KAJ或V KJ 线性 式中Q 渗流量m3 d或cm3 s A 过水断面K 渗透系数m d或cm s 表征岩土透水性能大小的指标 还与水的粘滞性有关 V 渗透流速m d或cm sDarcy定律适合于层流 砂土 地下水运动的基本规律 30 65 紊流 砾石土 运动规律 V KJ1 2 非线性 黏性土运动规律 V K J Jo 式中Jo为起始水力坡降 31 65 渗透系数的确定 据土的粒度分析资料计算 室内测定1 常水头试验 适用于砂土 2 变水头试验 适用于黏性土 3 现场测定1 渗水试验2 抽水试验 32 65 室内常水头渗透试验 由达西公式 得土样的渗透系数为 图6 19常水头渗透试验 33 65 室内变水头渗透试验 图6 20变水头渗透试验 34 65 现场抽水试验 图6 21潜水完整井抽水试验示意图 35 65 地下水涌水量的计算 Q 2KAJ 2KL 地下水向完整渗沟的流动 36 65 地下水向不完整渗沟的流动 1 含水层厚度有限单侧流量 分离变量并积分 x从c至c R y从0至H 得 2 含水层厚度无限计算同上 但 37 65 井的类型 按其揭露含水层的类型分 潜水井 承压井按进水条件分 完整井 非完整井 地下水向井的稳定流动 图6 24井的类型示意图a 潜水完整井 b c d 潜水非完整井 e 承压水完整井 f g 承压水非完整井 38 65 潜水完整井 Q KAJ 2 Kxy 分离变量并积分 x从rw至R y从hw至H 得 39 65 承压水完整井 Q KAJ 2 KxM 分离变量并积分后 得 图6 25地下水向承压水井的流动 40 65 基坑涌水量计算 把基坑假想为圆形大井 其引用半径 F 基坑面积 41 65 第五节地下水与工程建设 地面沉降地面塌陷流砂管涌浮托作用基坑突涌对混凝土的侵蚀性 42 65 基坑突涌 隔水层的安全厚度 据 得 若不满足上述厚度 需降水 使基坑中心承压水位降深满足 则 43 65 渗透变形 seepagedeformation 管涌 单个土颗粒发生独立移动的现象 多发生在不均匀的砂砾土中 流土 一定体积的土粒同时发生移动的现象 多发生在均质砂土层和粉土层中 44 65 1998洪水 1998年洪水中各种险情6000余处 45 65 隐患与险情 46 65 47 65 武汉丹水池堤防抢险 48 65 上海轨道交通4号线事故 2003年7月1日凌晨4点 正在施工中的上海市地铁四号线区间隧道浦西联络通道发现渗水 随后出现大量流沙涌入 引起地面大幅沉降 上午九点左右 地面建筑八层楼房发生倾斜 其裙房部分倒塌 由于报警及时 所有人员均已提前撤出 因而无人员伤亡 受其影响的周围楼房里的市民们也已全部撤出 临江花园大厦 倾斜10 49 65 抢险方案 对轨道交通4号线区间隧道进行封堵 解除了因险情对整个隧道区间的威胁向地下采取注浆压浆技术减少地下流沙的涌动 保护周边地区的建筑拆除受险情影响的大楼及裙房 用注浆机不停地把水泥浆注入地下 加固地面地基 提高地基承载力 潜水员身穿70kg潜水服 潜入地下进行封堵 确保大厦地基不渗水 采用传统方式拆除破坏楼房7月2日 50 65 7月3日新险情 受地面沉降影响 董家渡外马路段长约30米的防汛墙 发生沉陷 倾斜 开裂 此时 正值上海汛期开始 上千名武警官兵奉命紧急出动 用沙袋和身躯 在浦江边筑起 U 字型围堤 将长江抗洪的经典场景再现 武警官兵火速奔赴现场抢险救灾 武警官兵分几队 一组负责装沙 一组负责沙包传递 武警官兵有的抛填沙包筑堤 有的跳进黄浦江排险堵漏 51 65 24小时筑起长160m 高2m 伸入黄浦江约10m的弧形临时堤坝 控制了险情 52 65 建于1989年71米高265米长1993年8月7日垮坝死亡300余人 渗透破坏 青海沟后水库的溃口 沟后水库沙砾石面板坝失事实录 53 65 Teton坝 美国 概况 土坝 高90m 长1000m 建于1972 75年 1976年6月失事 损失 直接8000万美元 起诉5500起 2 5亿美元 死14人 受灾2 5万人 60万亩土地 32公里铁路 原因 渗透破坏 水力劈裂 54 65 1976年6月5日上午10 30左右 下游坝面有水渗出并带出泥土 Teton坝 美国 55 65 11 00左右洞口不断扩大并向坝顶靠近 泥水流量增加 Teton坝 美国 56 65 11 30洞口继续向上扩大 泥水冲蚀了坝基 主洞的上方又出现一渗水洞 流出的泥水开始冲击坝趾处的设施 Teton坝 美国 57 65 11 50左右洞口扩大加速 泥水对坝基的冲蚀更加剧烈 Teton坝 美国 58 65 11 57坝坡坍塌 泥水狂泻而下 Teton坝 美国 59 65 12 00过后坍塌口加宽 Teton坝 美国 60 65 洪水扫过下游谷底 附近所有设施被彻底摧毁 Teton坝 美国 61 65 失事现场目前的状况 Teton坝 美国 62 65 复习思考题1 何谓地下水 地下水的物理性质包括哪些内容 地下水的化学成分有哪些 2 地下水按埋藏条件可以分为哪几种类型 它们有何不同 试简述之 3 地下水按含水层空隙性质可以分为哪几种类型 它们有何不同 试简述之 4 试分别说明潜水和承压水的形成条件及工程特征 5 根据埋藏情况裂隙水可分为哪几种类型 它们有何特征 6 试说明地下水与工程建设的关系 63 65 作业题1 已知承压水头H0 4m 坑底隔水层厚度H 1 0m 土的重度为20kN m3 判断基坑是否会发生突涌现象 如果