水的地质作用

第3章水的地质作用 概述地表水的地质作用地下水的地质作用 自然界水广泛存在于大气圈 水圈 生物圈和地球内部 并处于不断的运动之中 水的运动成就了生物的不断繁衍 地貌的不断改变 自然界水循环 大循环 海洋与陆地 小循环 海上内循环 内陆循环 3 0概述 3 1地表水的地质作用地表水又称地面水流 是指陆地表面在重力作用下流动的液态水 地表水的地质作用又可分为 暂时性流水地质作用 经常性流水 河流 地质作用 地表水的地质作用包括 侵蚀作用 搬运作用 沉积作用 水的侵蚀作用 斜坡滑塌 水的搬运和沉积作用 3 1 2暂时性流水的地质作用 淋滤 洗刷 冲刷淋滤作用及残积层 Qel 大气降水将地表附近细小物质带走 另外还将周围易溶成分溶解 使得岩石逐渐丧失完整性 称为淋滤作用 残积层特征 地表以下 基岩以上 成分与基岩关系密切 厚度与地形 气候 化学成分等有关 具有大空隙结构 洗刷作用及坡积层 Qdl 大气降水沿地表流动 在山坡上形成面流 将坡面的碎屑物质洗刷至山坡坡角处沉积下来 称为洗刷作用 特征 位于坡角 厚度变化大 由顶部崩塌碎石 粘土组成 层理不明显 棱角分明 松散 富水 稳定性差 崩积物 与坡积物组合形成崩坡积物 冲刷作用及洪积层 Qpl 地表水向低洼沟槽汇集 水量增大 携砂石增多 侵蚀能力增强 使得沟槽下切 变宽 称为冲刷作用 冲刷作用形成冲沟与洪积层裂隙发育 坡面陡 缺少植物覆盖 易形成冲沟 地表被切割的支离破碎 冲沟的治理以预防为主 调整水流 人工种植草皮等 洪积层特征 扇形 成分复杂 扇顶粗大 扇缘细小 3 1 3河流的地质作用我国河流众多 流域面积占国土面积40 约400万KM2 河流河段上游 V 形 中游 U 形 下游 河面宽广 侵蚀作用河流侵蚀能力由河水动能决定 三峡 下蚀作用的结果 峡谷地貌 虎跳峡 河谷呈V字型 返回 亚马逊河 黄河 侧蚀作用的结果 河曲地貌 河流的侧向侵蚀 牛轭湖的形成 河流搬运作用搬运能力与速度关系巨大 搬运形式 物理 化学搬运 源头入海口 分选好 磨圆好 颗粒细 石英多 沉积作用和冲积层 Qal 河流由山区进入平原地区 流速骤然降低使得大量物质沉积下来形成冲积扇 另外在大河入海口会形成三角洲 河流的沉积作用及类型 俄罗斯勒那三角洲 返回 冲积层特征 分布于河床 冲积扇冲击平原或三角洲中 成份复杂 分选性好 层理明显 磨圆度高 分布广泛 坡面平缓 砂卵石层可作为优质地基 而粘土承载能力较低 另外需注意软弱土层及粉砂层 砂卵石层为良好的建筑材料 另外含有丰富的地下水 二 河谷横断面及河流阶地河谷横断面 河谷组成图 二 河谷横断面及河流阶地河谷地貌影响因素 地壳升降 河谷岩性 地质构造 气候条件等 河流不同地段和不同发育阶段 幼年期 壮年期及老年期 河谷形态均不同 V型峡谷 黄河 地上河 地上河 幼年期河谷 下蚀作用强烈 老年期河谷 沉积作用 形成平原 壮年期河谷 侧蚀作用强烈 河曲发育 有阶地 2 河流阶地横向阶地 河流与阶地延伸垂直纵向阶地 阶地延伸方向与河流平行 横向阶地发生向源侵蚀 下蚀作用 纵向阶地 地壳上升和河流地质作用 地壳上升 河谷下切 形成河流阶地 内叠阶地 阶地发育的三个阶段 河漫滩 阶地 组成物质不同 阶地类型 侵蚀 基座 冲积 埋藏侵蚀阶地 阶面为侵蚀基岩 无冲积物 多见于构造运动上升的山区河谷中 基座阶地 陡面和陡坎上是冲积物 下部是基岩 反映河流下蚀深度超过了原河床谷底 并切入基岩 冲积阶地 阶地陡坎上没有基岩 全部由冲积物组成 其形成反映河流下蚀深度没有超过谷底 根据下蚀深度的不同又可分为 上迭阶地和内迭阶地 埋藏阶地 河谷形成阶地后 地壳相对下降 把原河谷阶地掩埋起来 被掩埋的阶地称埋藏阶地 河流阶地 侵蚀阶地 基座式阶地 河流地质作用与工程建设关系城市 道路 桥梁 沿河发展的城市 武汉 沿河行进的公路 跨河的桥梁 3 2地下水地质作用1 概念 地下水是埋藏于地表以下岩土体空隙中各种状态的水 是地球水体的重要组成部分 与地表水相互补给 是宝贵的地下资源 同时又是各种工程事故产生的重要因素 二 地下水基本知识1 地下水存在形式 气态水 以水蒸气形式存在于未被水饱和的岩土体空隙中 温度降低凝结成水 液态水 吸着水 强结合水 由颗粒或岩体表面的电荷吸引 结合力大 不能传递水压 不能溶解盐 不能被植物吸收 薄膜水 弱结合水 电荷引力降低 水层加厚 不能传递水压 毛管水 同时受重力和毛管力的共同作用 可传递水压 重力水 岩土体的裂隙和空隙中被水填满 在重力作用下能自由运动的水 固态水 当水温低于0 时 液态水就转化为固态水 出现冻涨现象 持水性 依靠分子引力或毛细力 在岩土孔隙 裂隙中能保持一定数量水体的性能 指岩土能容纳一定水量的性能 容水性 二 岩土的主要水理性质 在重力作用下 饱水岩土能够流出一定水量的性能 给水性 岩土允许水透过的性能称为透水性 透水性 透水的半透水的不透水的 砂砾石层 淤泥质土 含水层与隔水层概念含水层 在正常水力梯度下 饱水 透水并能给出一定量水的岩土层 构成含水层的条件 一是有空隙存在 并充满足够量的水 二是这些重力水能从岩土中自由流出 砂卵石隔水层 在正常水力梯度下不透水或透水相对微弱的岩土层称为隔水层 粘土 泥岩 页岩 3 地下水的物理性质和化学性质地下水的补给来源 埋藏 径流条件不同 溶解了多种盐分 气体和有机物 所以具有复杂的成分 其性质差别很大 地下水的物理性质物理性质包括 温度 颜色 透明度 气味 口味等 地下水的化学成分离子成分 气体成分 胶体成分 有机质和细菌成分 N2 O2 CO2 CH4 H2S及放射性气体等 离子 阳离子 H Na K NH4 Mg2 Ca2 Fe2 Fe3 Mn2 等阴离子 OH Cl HCO3 NO2 SO42 CO32 SiO32 PO43 等 Fe OH 3 Al OH 3 SiO2等 气体 胶体 地下水的化学性质分类矿化度 地下水中含有各种离子 分子和化合物的总量 硬度 水的硬度取决于水中钙 镁离子的含量 总硬度 暂时硬度 永久硬度 酸碱度 取决于水中H离子的浓度侵蚀性 指水对碳酸盐及金属类物质的侵蚀能力 硫酸型侵蚀 含硫酸根离子 与砼作用生成硫酸盐 体积膨胀 结晶性侵蚀 碳酸型侵蚀 含碳酸根离子 与砼作用生成溶解盐类 溶解性侵蚀 三 地下水的基本类型及特征1 概念广义 赋存于地面以下岩土空隙中的水 包气带水 饱和带水等 狭义 赋存于饱水带岩土空隙中的水 埋藏条件 指含水岩层在地质剖面中所处的部位及受隔水层限制的情况 据此可将水分为 上层滞水 潜水 承压水 潜水 包气带水 承压水 2 按埋藏条件分类 上层滞水 土壤水 土壤层中的水 主要以毛细管水和结合水形式存在 来源有 大气降水渗透 水汽凝结 潜水补给 重力水 存在于包气带局部隔水层之上 由大气降水和地表水入渗补给 季节性较强 潜水概念 埋藏于地表以下第一个稳定隔水层之上的重力水 相关概念 潜水面 无压的自由水面 潜水位 埋藏深度 含水层厚度特征 a 具有自由面 为无压水 b 分布区和补给区一致 c 具有明显的动态特性 d 埋藏较浅 容易受到污染 潜水面的形状 潜水面非水平面 而是倾斜的曲面 受地形 含水层厚度以及岩土层透水性等因素影响 岩层透水性的影响 含水层厚度的影响 地表地形的影响 潜水的补给径流和排泄 a 潜水的补给大气降水补给 地表水入渗 越流补给 旱季凝结水b 潜水的径流潜水由补给区流向排泄区的过程称为潜水径流 c 潜水的排泄潜水含水层失去水量的过程称为潜水排泄 水平排泄 山区或丘陵地区 潜水以泉或散流形式排泄于沟谷或地表 垂直排泄 平原地区 潜水耗于蒸发 矿物度升高 水质变差 泉水排泄 承压水 充满于两个隔水层之间 具有静水压力的重力水 a 承压性 非自由水面b 补给区分布区不一致c 气象影响不显著d 厚度不受季节影响e 不易受到污染b 承压水埋藏类型承压水的埋藏决定于地质构造 有两类 盆地或向斜蓄水构造 承压盆地单斜蓄水构造 承压斜地 地形与地质构造一致 不一致 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 承压斜地 其形成有三种情况 岩性发生相变或者尖灭 侵入岩体阻截 含水层被断层所截 c 承压水的补给 径流和排泄承压水的补给 补给区出露地表时由大气降水补给 位于河床 湖沼地带时 则主要由地表水补给 当低于潜水水位时通过潜水补给 承压水的径流 径流主要取决于含水层的透水性 补给区到排泄区的距离 水位差 含水层的挠曲程度等 承压水的排泄 排入潜水 泉水形式排泄 排于地表 二 按含水层性质分类 孔隙水 裂隙水 岩溶水 孔隙水赋存于松散沉积物颗粒构成的空隙网络中 存在于第三系与第四系地层中 少数分布于大孔隙结构的基岩中 a 洪积扇中的地下水 b 冲积平原中的地下水近代河道及现代河道 地势较高 沉积颗粒较大 向外地势变低 沉积物变细 所以此处地下水的分布呈现 河道地区处于补给区 以溶滤作用为主 向两侧的洼地 地势逐渐变低 岩性变细 渗透性差 地下水位变浅 蒸发增加 矿化程度变大 c 湖积物中的地下水我国第四纪发育的湖泊较多 但湖泊沉积往往是沙砾层与粘土层的互层 垂直补给比较困难 一般湖积物中的地下水并不丰富 裂隙水在裂隙含水层中存储和运动的地下水称裂隙水 其运移与岩石裂隙性状有关 按照裂隙成因可分为 风化裂隙水 成岩裂隙水以及构造裂隙水 风化裂隙水 埋藏在基岩的风化裂隙中 裂隙有一定的张开性 储存于其中的水相互连通 构成统一的地下水面 一般储水量较小 泰山风化裂隙 成岩裂隙水 埋藏于岩石成形过程中形成的裂隙中 仅存在某一岩层中 不切层 延伸不远 彼此连通 层状分布 构造裂隙水由于地壳构造运动形成的各种断层节理中所含有的水 压扭性构造裂隙裂隙封闭 透水性差 可以起隔水作用逆断层 封闭节理拉张性构造裂隙裂隙张开 透水性好 蓄水量大 良好的含水和过水作用 正断层 平移断层 张开节理 裂隙水分布特征 脉状分布 带状分布 层状分布 砂泥互层 层状 硬岩层状裂隙水 坚硬岩石裂隙 脉状 连通性差 水量小 断裂破碎带 带状 水量大 延伸远 岩溶水储存和运动于可溶性岩石洞隙中的地下水称岩溶水 a 岩溶水的埋藏与分布特征岩溶水可以是潜水也可以是承压水 埋藏深度可深可浅 当底部无不透水层时 一般会发育很深 地面往往出现缺水现象 南方地区的岩溶水 各种类型的岩溶地貌 四 地下水地质作用地下水对岩层的破坏和建造称地下水地质作用 包括 剥蚀作用 搬运作用以及沉积作用 1 剥蚀作用a 机械潜蚀作用地下水流动将松散土体 黄土 或松散岩石中的细小颗粒冲刷带走 破坏土体或岩体结构 b 化学溶蚀作用 2 搬运作用机械搬运与化学搬运3 沉积作用机械沉积 流速变化 化学沉积 温度压力变化 地下水溶质在粒间孔隙内沉淀颗粒胶结 在裂隙内沉淀灰岩岩脉 碳酸钙沉淀钟乳石 泉水沉积形成的泉华 压力降低 CO2逸出使CaCO3沉淀 形成疏松多孔的物质 称钙华 因温度降低SiO2沉淀 形成疏松多孔的物质 称硅华 五 地下水对土木工程的影响1 地下水对砼与钢筋的侵蚀a 溶出侵蚀 水中碳酸氢根离子含量低于2 0Mg L 或暂时硬度小于3 地下水具有溶出性侵蚀 b 碳酸侵蚀地下水流动 二氧化碳得到不断补充 侵蚀作用不断进行 c 硫酸盐侵蚀硫酸根超过250mg L 与氢氧化钙反应生成石膏 体积膨胀d 一般酸性侵蚀当地下水pH值小于5 2时 水中酸性离子与氢氧化钙反应 生成物若溶于水 则砼被侵蚀 e 镁盐侵蚀地下水中的与砼中的作用生成易溶于水的及硫酸盐侵蚀的引起砼破坏 2 地下水位上升引起的工程问题a 增强地下水的腐蚀性 盐渍土 表土沼泽化 b 引起不良地质现象滑坡 崩塌 建筑物破坏 地面开裂等 c 砂土液化 流砂 管涌 流砂和潜蚀 流砂 在饱和土中 如果土颗粒之间的有效应力为零 则土颗粒将悬浮于水中 出现随水一起流出的现象称为流砂 潜蚀 在地下水渗透力的作用下 土中的细小颗粒穿过粗颗粒之间的孔隙被渗流逐渐带走 久而久之 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 这种现象称为机械潜蚀 在渗透水流作用下 土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动 以至流失 随着土的孔隙不断扩大 渗透速度不断