第五章地下水及其对建筑工程的影响

地下水的赋存地下水的物理化学成分地下水的分类地下水的运动地下水对建筑工程的影响 第五章地下水及其对建筑工程的影响 土木工程学院闫富有 12 12 114 2 水的循环 大气水 地表水和地下水之间不间断的运动和相互转化的过程 地下水 赋存在地表以下岩层或土层空隙中的重力水 作用 危害 12 12 114 3 5 1地下水的赋存 一 岩石的空隙特征 一 岩石的空隙性所有的岩石都有空隙 没有空隙的岩石是不存在的 岩石的空隙是地下水储存场所和运动的通道空隙性 是指由于岩石的性质和受力作用的不同 空隙的形状 多少 连通性与分布等方面的性质分类 孔隙 裂隙 溶隙 12 12 114 4 1 孔隙主要存在于松散岩石中 为颗粒或颗粒集合体之间的空隙重要概念 孔隙度 它反映了岩石储存地下水的能力 影响因素 岩石的密实程度颗粒的均匀性颗粒的形状颗粒的胶结程度 12 12 114 5 a 岩石的密实程度 越密实 孔隙度越小b 颗粒的均匀性 越不均匀 分选性差 孔隙度越小 主要因素 c 颗粒的形状 颗粒越浑圆 孔隙度越小d 颗粒的胶结程度 胶结程度越好 孔隙度越小 岩石越松散 分选性好 浑圆度和胶结程度越差 孔隙度越大 反之 越小 12 12 114 6 2 裂隙 坚硬的岩石因岩石破裂而产生的空隙 反映了岩石储存地下水的能力 一般呈现裂缝状 具有明显的不均匀性和方向性 只有当不同方向的裂隙相互连通 构成裂隙网络时 裂隙才能成为地下水储存场所和运动通道 裂隙的连通性比孔隙的连通性差 衡量指标 裂隙率 12 12 114 7 12 12 114 8 3 溶隙 可溶性的岩石在水流的溶蚀作用下形成的空隙 反映岩石储存地下水的能力的指标 可溶性的岩石 石灰岩 白云岩 石膏 硬石膏 盐层等 溶隙 溶洞 地下暗河 竖井 落水洞衡量指标 岩溶率特点 连通性好岩溶率变化大 12 12 114 9 二 岩石的水理性质 岩石的水理性质 由于岩石空隙的大小 数量的不同 使得岩石表现出容纳 保持 给出和渗透地下水的性质 包括 容水性 持水性 给水性 透水性等 1 持水性 在分子力和表面张力的作用下 岩石空隙中能够保持一定水量的性能 衡量指标 持水度为饱和岩石经重力排水后所保持水的体积与岩石体积之比岩石的持水量多少主要取决于岩石的颗粒直径和空隙直径的大小 即岩石颗粒越细 空隙越小 持水度越大 12 12 114 10 2 给水性饱和岩石在重力作用下能够自由排出若干水量的性能称为岩石的给水性 在数量上用给水度来衡量 给水度是饱和岩石在重力作用下能排出水的体积与岩石总体积之比 用小数或百分数表示 岩石的持水度与给水度之和等于容水度 岩石的给水度与岩石的颗粒大小 形态 排列方式以及压实程度等有关 均匀沙的给水度可达30 以上 但大多数冲积含水层的给水度在10 20 给水度是水文地质计算和水资源评价中很重要的参数 12 12 114 11 3 岩石透水性 指土或岩石允许水透过本身的能力 岩石透水性的强弱取决于土或岩石中孔隙和裂隙的大小 透水性的强弱以渗透系数来表示 在透水性强的岩层中钻进 易发生渗透漏失或涌水 岩体的透水性主要取决于结构面的透水性 受原生结构面 构造结构面以及次生结构面发育规律的控制 渗透系数单位 长度 时间 意义 12 12 114 12 三 地下水在岩石中的存在形式 岩石 骨架 中的水 矿物结合水 如沸石水 结晶水和结构水 例如石膏 Gypsum Ca SO4 2H2O 其中H2O占20 93 方沸石Na2 AlSi2O6 2 2H2O 其中H2O占8 17 岩石空隙中的水 结合水 吸着水 薄膜水 重力水 毛细水 固态水和气态水 本质上 12 12 114 13 岩石空隙中的水 结合水 吸着水 薄膜水 重力水 毛细水 固态水和气态水 1 气态水 水蒸气状态 不能直接被利用 也不能被作物吸收 但通过自身的迁移和蒸发凝结可以改变地下水的分布 2 结合水 由于静电引力作用 吸附在岩石颗粒表面的水 根据结合的紧密程度的不同 结合水可分为吸着水 强结合水 和薄膜水 弱结合水 12 12 114 14 吸着水 强结合水 吸附在岩石颗粒的表面较近处 水在岩石颗粒表面结合非常紧密 近似于固态 不同于一般的液态水 很难用机械的方法把它与颗粒分开 不受重力支配 不能溶解盐类 不能导电 不能传递静水压力 密度大 2 0g 3 水量小 不能被植物吸收 具有极大的粘滞性和弹性 12 12 114 15 薄膜水 弱结合水 吸附在岩石颗粒的表面较远处 水分子离岩石颗粒表面越远 结合力越小 当空气相对湿度达到饱和时 能将他们分开 不受重力支配 不能导电 不能传递静水压力 密度和普通水差不多 但具有极大的粘滞性 有较低的溶解盐能力结合水的含量取决于岩石颗粒的表面积 岩石颗粒越细 颗粒的表面越大 结合水含量约大 反之 越小 12 12 114 16 毛细管水 半自由水 存在于细小的裂隙和孔隙中的水 不受颗粒表面的静电应力影响 但受表面张力和重力影响 重力水 研究的主要对象 在重力作用下能自由活动的地下水固态水 冰 地下水的分布 垂向 包气带饱水带 12 12 114 17 包气带 aeratlonzone 地面以下潜水面以上的地带 也称非饱和带 是大气水和地表水同地下水发生联系并进行水分交换的地带 它是岩土颗粒 水 空气三者同时存在的一个复杂系统 包气带具有吸收水分 保持水分和传递水分的能力 与非饱和区概念不同 非饱和区一般不包括潜水面之上的毛细上升区 capillaryfringe 和季节性饱和区域 地下水面以上是包气带 以下是饱水带 12 12 114 18 按水分分布特点 包气带可分成3个带 近地面段为毛细管悬着水带 这个带同大气有强烈的水分交换 水分的增加 减少或消失 同降雨的下渗 土壤的蒸发和植物的散发有关 水分的垂直分布随时间而变化 毛细管支持水带 地下水面以上由毛细管水上升而形成 在这一带中土壤的含水量自下而上逐渐减少 这个带的深度随地下水位的升降而变化 介于上述两个带之间的中间包气带 12 12 114 19 四 含水层和隔水层 含水层 能透过并给出相当数量水的岩层 隔水层 不能透出并给出水 或透出给出水量较小的岩层 构成含水层的基本条件 岩层具有容纳重力水的空隙 先决条件 有储存和聚集地下水的地质条件空隙岩层下有隔水层 使水不能下漏水平方向有隔水阻挡 以免水全部流空 具有充足的补给来源补给来源决定了含水量的多少和供水保证程度 12 12 114 20 5 2地下水的物理性质和化学成分 地下水物理性质主要指水温 颜色 透明度 嗅和味 化学性质由溶解和分散于地下水中的气体 离子 分子 胶体物质和悬浮固体的成分 微生物及这些物质的含量所决定 影响地下水水质的主要因素是土壤 岩石的成分 渗透性和地下水的埋藏深度 地下水存在于土壤和岩石的空隙中 与土壤和岩石长期接触 不同地区的土壤和岩石类型不同 地下水的化学成分的地区差异极大 12 12 114 21 地下水化学成分地下水中所含的无机的和有机的化学成分 地下水是一种浓度较稀的溶液 它含有常见离子 最常见的阳离子是钙 镁 钠 最常见的阴离子是重碳酸根 硫酸根 氯根 微量组分 如氟 溴 碘 硼等 和气体组成 如氮 二氧化碳 甲烷等 一定化学成分的地下水是一定的地质环境下的产物 硬水 含钙 镁离子较多软水 含钙 镁离子较少 总矿化度 地下水中所有离子的总含量单位 g L 12 12 114 22 习惯上以1升水在105 110度下蒸发干所得的干涸残余物的克数表示的反映地下水所含各种离子 分子和化合物的总量 可以将分析所得阴阳离子含量相加 求得理论干涸残余物总量 注意 由于在蒸干时有将近一半的HCO3 了分解生成CO 及H2O而逸失 所以 阴阳离子相加时 HCO3只取重量的50 12 12 114 23 暂时硬度当硬水中钙和镁主要以碳酸氢盐 如Ca HCO3 2 Mg HCO3 2形式存在时 称为暂时硬水 加热煮沸时 碳酸氢盐会分解成碳酸盐而沉淀除去 如果硬水中钙和镁主要以硫酸盐 硝酸盐和氯化物等形式存在 则称为永久硬水 它们不能用煮沸的方法除去 12 12 114 24 第二节 地下水的分类 12 12 114 25 包气带水 是指存在于地面以下包气带中的水 包气带水的主要特征 一般矿化度低 但水质最易受污染 所含的上层滞水水量不大 但其常常是引起土质边坡滑坍 地基 路基沉陷 冻胀等病害的重要因素 水量不大 但季节性变化强烈 补给区和分布区是一致的 上层滞水埋藏在离地表不深的包气带中的地下水 12 12 114 26 潜水 指埋藏于地表以下 第一个稳定隔水层之上具有自由水面的饱水带中的重力水 潜水面的特征 12 12 114 27 潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面 潜水面的起伏经常与地形一致 只是比地形起伏平缓一些 潜水面与地表面的形态具有相似性 12 12 114 28 当含水层厚度变大时 潜水面坡度变缓 当岩层透水性变好 潜水面坡度变缓 潜水等水位线图 潜水等水位线图是根据所在地区各水文地质点 井 钻孔 试坑和泉等 在大致相同的时间内所测得的潜水面的水位标高编制而成的 12 12 114 30 潜水等水位线图的用途 反映潜水与地表水的相互关系 确定潜水的埋藏深度 如有隔水层顶板标高 可以确定含水层的厚度 可以确定潜水的流向及潜水面的水力坡度 12 12 114 32 潜水的补给 含水层中地下水从外部 如大气降水 地表水等 获得大量补充的过程称为地下水的补给 大气降水 地表水的补给 含水层之间的补给 I 越流补给 II 直接补给 凝结水 人工补给 12 12 114 33 潜水的补给 大气降水 12 12 114 34 河流补给潜水 潜水的补给 地表水的补给 12 12 114 35 潜水的排泄 蒸发 泉的排泄 向地表水排泄 人为排泄 潜水的排泄 泉 潜水的排泄 向地表水排泄 12 12 114 36 承压水 埋藏并充满在两个隔水层之间的含水层中的地下水 是一种有压重力水 含水层 12 12 114 37 承压水的形成 最适宜形成承压水的地质构造有 承压盆地 此类承压水的水位受到气候及地形的控制 往往具有较好的径流条件 12 12 114 38 12 12 114 39 承压斜地 岩性变化形成承压斜地 断裂构造形成承压斜地 12 12 114 40 承压含水层在同一区域内均可在不同深度有着若干层同时存在的情况 它们之间的水头高度与地形和构造二者有关 12 12 114 41 承压水的补给 大气降水 地表水 潜水 承压水的补给 地表水 承压水的补给 大气降水 当补给区位于河床地带时 地表水才可以成为补给来源 12 12 114 42 当承压含水层补给区位于潜水之下 潜水可以泄入承压含水层中构成其补给源 承压水的补给 潜水 承压水的排泄 向潜水排泄 泉的排泄 向地表水排泄 12 12 114 43 当排泄区上有潜水存在时 则可以排泄入潜水中 承压水的排泄 潜水 承压水的排泄 泉 当侵蚀面下切达到承压含水层时 就以泉水形式排泄 12 12 114 44 导水断层切断含水层时 沿断层带 承压水也可以泉的形式排泄 承压水的排泄 泉 承压水的排泄 地表水 12 12 114 45 承压水的径流 径流条件的好坏与地形条件 含水层的透水性 补给区与排泄区的水位差 承压含水层的挠曲程度等有关 承压水的涌水量 承压含水层的涌水量 主要与含水层的分布范围 厚度 透水性 补给区的大小 水的补给来源等因素有关 12 12 114 46 地下水按含水层性质分类 孔隙水 存在于松散岩层的孔隙中 包括第四系和坚硬基岩的风化壳 多呈均匀而连续的层状分布 一般情况下 颗粒大而均匀 则含水层孔隙也大 透水性好 地下水水量大 运动快 水质好 反之 则含水层孔隙小 透水性差 地下水运动慢 水质差 水量也小 孔隙水由于埋藏条件不同 可形成孔隙 包气带水 孔隙 潜水和孔隙 承压水 12 12 114 47 主要分布在山区和第四系松散覆盖层下面的基岩中 裂隙的性质和发育程度决定了裂隙水的存在和富水性 裂隙水 埋藏在坚硬岩石裂隙中的地下水 岩石的裂隙按成因可分为风化裂隙 成岩裂隙和构造裂隙三种类型 相应地也将裂隙水分为风化裂隙水 成岩裂隙水和构造裂隙水 12 12 114 48 岩溶水埋藏于溶隙中的重力水称为岩溶水可以是潜水 也可以是承压水 岩溶水具有水量大 运动快 在垂直和水平方向上分布不均匀的特性 12 12 114 49 泉 泉是地下水天然露头 是地下水的主要排泄方式之一 泉的类型 补给源 包气带泉 主要是上层滞水补给 水量小 季节变化大 动态不稳定 潜水泉 下降泉 主要靠潜水补给 动态较稳定 有季节性变化规律 侵蚀泉 当河谷 冲沟向下切割含水层 地下水涌出地表便成泉 这主要和侵蚀作用有关 故叫侵蚀泉 12 12 114 50 5 4地下水的运动 达尔西 Darcy 定律 地下水线性渗透的基本定律 Q KA H1 H2 L KAI或v Q A KI 12 12 114 51 5 5地下水对建筑工程的影响 降低地下水会使软土地基产生固结沉降 不合理的地下水流动会诱发某些土层出现流砂现象和机械潜蚀 地下水对位于水位以下的岩石 土层和建筑物基础产生浮托作用 某些地下水对钢筋混凝土基础产生腐蚀 12 12 114 52 一 地下水位下降引起软土地基沉降 对于软土层 如进行人工降低地下水位时 如降水措施不当 会带来以下后果 周围地基土层产生固结沉降 可能造成邻近建筑物或地下管线的不均匀沉降 使建筑物基础下的土体颗粒流失 甚至掏空 导致建筑物开裂和危及安全使用 12 12 114 53 二 动水压力产主流土和管涌 潜蚀 流土 当地下水自下而上流动时产生的动水压力等于土体的有效重度时 土颗粒之间的有效应力等于零 土粒就处于悬浮状态 这种现象称为流土 12 12 114 54 管涌 机械潜蚀 土中细小颗粒仍有可能穿过粗颗粒之间的孔隙被渗流携带而走 时间长了 在土层中将形成管状空洞 使土体结构破坏 强度降低 压缩性增加 将这种现象称为管涌 12 12 114 55 三 地下水的浮托作用 当建筑物基础底面位于地下水位以下时 地下水对基础底面产生静水压力 即产生浮托力 地下水不仅对建筑物基础产生浮托力 同样对其水位以下的岩石 土体产生浮托力 12 12 114 56 四