地下水的特征ppt课件

地下水 第一节地下水概述第二节地下水类型及其主要特征第三节地下水的性质第四节地下水对建筑工程的影响 1 地下水 地下水是工程地质分析 评价和地质灾害防治中的一个极其重要的影响因素 地下水能降低岩土强度和地基承载力 对砂性土 粉性土产生潜蚀作用 破坏土体的结构 使粉细砂和粉土产生流砂现象 影响建筑物和地下设施的稳定性 甚至引起破坏 同时给地下工程施工带来许多麻烦 当深基坑下部有承压水时 若不降低承压水头压力 可能会冲毁坑底土体造成突涌危害 对其水位以下的岩土会产生静水压力作用 有些地下水会腐蚀钢筋混凝土 2 根据岩土中水的物理力学性质 将地下水分为 气态水 结合水 毛细水 重力水 固态水以及结晶水和结构水 这些水的特性和作用已在前面详述过 下面我们着重讨论岩土中的毛细水和重力水 因为这两种水对地下水的工程特性有很大的作用 3 毛细水对建筑工程的意义主要有 1 产生毛细压力 对于砂土特别是细砂 粉砂 由于毛细压力作用使砂性土具有一定的粘聚力 称假粘聚力 2 毛细水对土中气体的分布与流通有一定影响 常常是导致产生封闭气体的原因 3 当地下水位埋深变浅时 由于毛细水上升 可助长地基土的冰冻现象 使地下室潮湿 危害房屋基础及公路路面 促使土的沼泽化 盐渍化 4 重力水 不受静电引力的影响 在重力作用下运动 可传递静水压力 重力水能产生浮托力 孔隙水压力 流动的重力水在运动过程中会产生动水压力 重力水具有溶解能力 对岩土产生化学潜蚀 导致土的成分及结构的破坏 重力水是本章研究的主要对象 5 两个定义 含水层和透水层 含水层 能够给出并透过相当数量重力水的岩层或土层 称为含水层 构成含水层的条件 一是岩土中要有空隙存在 并充满足够数量的重力水 二是这些重力水能够在岩土空隙中自由运动 隔水层 不能给出并透过水的岩层 土层 或者这些岩土层给出与透过水的数量是微不足道的 6 岩土的水理性质 含水性给水性透水性 7 含水性 容水度 持水度 容水度 饱和含水量 岩土空隙完全被水充满时的含水量 用容积表示时为 岩土空隙中所能容纳的最大的水的体积与岩土体积之比 与孔隙度 裂隙率或岩溶率相等 但是 对于具有膨胀性的粘土来说 充水后体积扩大 容水度可以大于孔隙度 持水度 最大分子含水量 岩土颗粒的结合水达到最大数值时的含水量 指受重力作用时岩土仍能保持的水的体积与岩土体积之比 在重力作用下 岩石空隙中所保持的主要是结合水 因此 持水度实际上说明岩石中结合水含量的多少 8 给水性 给水度 给水度 饱水岩土在重力作用下排出的水的体积与岩土体积之比 数值上等于容水度减去持水度 大小与有效孔隙有关 不同的岩土其给水度相差很大 9 透水性 由于结合水对于重力水 以及重力水质点之间存在着摩擦阻力 最靠近边缘的重力水 流速趋近于零 向中心流速逐渐变大 中心部分流速最大 因此 空隙愈小 重力水所能达到的最大流速便愈小 透水性也越差 当空隙直径小于两倍结合水的厚度 在通常条件下便不透水 另一方面 在空隙透水 空隙大小相等的前提下 孔隙度越大 能够透过的水量愈多 岩土层的透水性也愈好 总之 空隙的大小和多少决定着岩石透水性的好坏 但两者的影响并不相等 空隙大小经常起主要作用 例如 砂性土的空隙度小于粘性土 但前者的渗透系数大于后者 10 达西定律 线性渗透定律 v Q A KIV 渗透速度K 渗透系数 单位水力梯度时的渗透速度I 水力梯度适用于雷诺数 10的层流运动 11 关于渗流速度 不是实际流速 而是虚拟流速 因为在达西定律中 过水断面的面积包括岩土颗粒所占据的面积及空隙所占据的面积 而水流实际通过的过水断面面积为空隙所占据的面积 所以 渗流速度并非地下水的实际流速 而是假设水流通过整个过水断面 包括颗粒和空隙所占据的全部空间 时所具有的虚拟流速 12 关于水力梯度 水力坡度为沿渗流途径的水头损失与相应渗透途径长度的比值 地下水在空隙中运动时 受到空隙壁以及水质点自身的摩阻力 克服这些阻力保持一定流速 就要消耗能量 从而出现水头损失 所以 水力坡度可以理解为水流通过某一长度渗流途径时 为克服阻力 保持一定流速所消耗的以水头形式表现的能量 13 地下水类型 按埋藏条件 包气带水潜水承压水 按含水层的空隙性质 孔隙水裂隙水岩溶水 14 包气带水 处于地表面以下 潜水位以上的包气带岩土层中 包括土壤水 沼泽水 上层滞水以及基岩风化壳 粘土裂隙 中季节性存在的水 主要特征是受气候控制 季节性明显 变化大 雨季水量多 旱季水量少 甚至干涸 包气带水对农业有很大意义 对工程建筑有一定影响 15 潜水 埋藏在地表以下第一层较稳定的隔水层以上 具有自由水面的重力水叫潜水 潜水的自由表面 承受大气压力 受气候条件影响 季节性变化明显 春 夏季多雨 水位上升 冬季少雨 水位下降 水温随季节而有规律的变化 水质易受污染 潜水面随时间而变化 其形状则随地形的不同而异 也和含水层的透水性及隔水层底板形状有关 含水层厚度较大的地方 潜水面就变得平缓 隔水底板隆起处 潜水厚度减小 16 潜水的动态 潜水的流量 水位 水温 化学成分等经常有规律的变化 这种变化叫潜水的动态 潜水的动态有日变化 月变化 年变化及多年变化 潜水动态变化的影响因素有自然因素及人为因素两方面 自然因素有气象 水文 地质 生物等 人为因素主要有兴修水利 修建水库 大面积灌溉等 这些因素都会改变潜水的动态 我们掌握潜水动态变化规律就能合理地利用地下水 防止地下水可能造成的对建筑工程的危害 17 潜水的补给来源主要有 大气降水大气凝结水地表水深层地下水 18 大气降水是补给潜水的主要来源 降水补给潜水的数量多少 取决于降水的特点及程度 包气带土层的透水性及地表的覆盖情况等 一般来说 时间短的暴雨 对补给地下水不利 而连绵细雨能大量的补给潜水 19 在干旱地区大气降雨很少潜水的补给只靠大气凝结水 20 地表水也是地下水的重要补给来源 当地表水水位高于潜水水位时 地表水就补给地下水 在一般情况下河流的中上游是地下水补给河流河流的下游是河水补给地下水 21 潜水的动态变化往往受地表水动态变化的影响 如果深层地下水位较潜水位高 深层地下水会通过构造破碎带或导水断层补给潜水 也可越流补给潜水 22 总之 潜水的补给来源是多种多样的 某个地区的潜水可以有一种或几种来源补给 23 潜水的排泄 一般在河谷的中上游 河流下切较深 使潜水直接流入河流 在干旱地区潜水也靠蒸发排泄 在地形有利的情况下 潜水则以泉的形式出露地表 24 承压水 自流水 地表以下 充满两个稳定隔水层之间的重力水 25 承压水具有如下特征 承压水的重要特征是不具自由水面 并承受一定的静水压力 承压水承受的压力来自补给区的静水压力和上覆地层压力 由于上覆地层压力是恒定的 故承压水压力的变化与补给区水位变化有关 当接受补给水位上升时 静水压力增大 水对上覆地层的浮托力随之增大 从而承压水头增大 承压水位上升 反之 补给区水位下降 承压水位随之降低 承压含水层的分布区与补给区不一致 常常是补给区远小于分布区 一般只通过补给区接受补给 承压水的动态比较稳定 受气候影响较小承压水不易受地面污染 26 承压水的形成与所在地区的地质构造及沉积条件有密切关系 只要有适宜的地质构造条件 地下水都可形成承压水 适宜形成承压水的地质构造大致有两种 自流盆地 自流斜地 27 28 29 30 31 承压水的补给和排泄 承压水的上部由于有连续隔水层的覆盖 大气降水和地表水不能直接补给整个含水层 只有在含水层直接出露的补给区 方能接受大气降水或地表水的补给 所以承压水的分布区和补给区是不一致的 一般补给区远小于分布区 另一方面 由于受隔水层的覆盖 所以受气候及其它水文因素的影响也较小 故其水量变化不大 且不易蒸发 因此 地下水的动态也是比较稳定的 此外 由于承压水具有水头压力 所以它不仅可以由补给区流向自流盆地或自流斜地的低处 而且可以由低处向上流至排泄区 并以上升泉的形式出露于地表 或者通过补给该区的潜水和地表水而得到排泄 32 裂隙水 埋藏在基岩裂隙中的地下水 这种水运动复杂 水量变化较大 这与裂隙发育及成固有密切关系 按基岩裂隙成因分类 风化裂隙水成岩裂隙水构造裂隙水 33 风化裂隙水 分布在风化裂隙中的地下水多数为层状裂隙水 由于风化裂隙彼此相连通 因此在一定范围内形成的地下水也是相互连通的水体 水平方向透水性均匀 垂直方向随深度而减弱 多属潜水 有时也存在上层滞水 如果风化壳上部的覆盖层透水性很差时 其下部的裂隙带有一定的承压性 风化裂隙水主要受大气降水的补给 有明显季节性循环交替性 常以泉的形式排泄于河流中 34 成岩裂隙水 具有成岩裂隙的岩层出露地表时 常赋存成岩裂隙潜水 岩浆岩中成岩裂隙水较为发育 玄武岩经常发育柱状节理及层面节理 裂隙均匀密集 张开性好 贯穿连通 常形成贮水丰富 导水畅通的潜水含水层 成岩裂隙水多呈层状 在一定范围内相互连通 具有成岩裂隙的岩体为后期地层覆盖时 也可构成承压含水层 在一定条件下可以具有很大的承压性 35 构造裂隙水 由于地壳的构造运动 岩石受挤压 剪切等应力作用下形成的构造裂隙 其发育程度既取决于岩石本身的性质 也取决于边界条件及构造应力分布等因素 构造裂隙发育很不均匀 因而构造裂隙水分布和运动相当复杂 当构造应力分布比较均匀且强度足够时 则在岩体中形成比较密集均匀且相互连通的张开性构造裂隙 赋存层状构造裂隙水 当构造应力分布相当不均匀时 岩体中张开性构造裂隙分布不连续 互不沟通 则赋存脉状构造裂隙水 36 具有同一岩性的岩层 由于构造应力的差异 一些地方可能赋存层状裂隙水 另 些地方则可能赋存脉状裂隙水 当构造应力大体相同时 由于岩性变化 裂隙发育不同 张开裂隙密集的部位赋存层状裂隙水 其余部位则为脉状裂隙水 层状构造裂隙水可以是潜水 也可以是承压水 柔性与脆性岩层互层时 前者构成具有闭合裂隙的隔水层 后者成为发育张开裂隙的含水层 柔性岩层覆盖下的脆性岩层中便赋存承压水 脉状裂隙水 多赋存于张开裂隙中 由于裂隙分布不连续 所形成的裂隙各有自己独立的系统 补给源及排泄条件 水位不 致 有一定压力 分布不均 水量小 水位水量变化大 但是 不论是层状裂隙水还是脉状裂隙水 其渗透性常常显示各向异性 这是因为不同方向的构造应力性质不同 某些方向上裂隙张开性好 另 些方向上的裂隙张开性差 甚至是闭合的 37 裂隙水的富集条件 1 有较多的储水空间 2 有充足的补给水源 3 有良好的汇水条件 上述条件主要受岩性 构造 地貌等因素的影响 岩性不同 裂隙发育程度有差异 因而富水性不同 构造部位不同 裂隙发育程度有差异 因而导水性和富水性也不同 褶曲轴部的裂隙较其它部位发育 往往是富水的地方 断裂多次活动的部位 岩石破碎 裂隙发育 不利于地下水的富集 不同地貌部位 地下水的补给 汇聚条件不同 岩石裂隙发育程度不同 因而富水性不同 盆地 洼地 谷地常常构成富水的有利条件 38 地下水的物理性质 温度 过冷水 100度 颜色 决定于化学成分及悬浮物 含H2S的水为翠绿色 含ca2 Mg2 离子的水为微蓝色 含Fe2 的水为灰蓝色 含Fe3 的水为褐黄色 含有机腐殖质时为灰暗色 含悬浮物的水 其颜色决定于悬浮物 透明度 透明的 微浑的 混浊的 极混浊的气味 含腐殖质时 沼泽味 含硫化氢 臭蛋味 味道 决定于化学成分 咸 NaCl 甜 Ca OH 2 Mg OH 2 苦 MgCl2 MgSO4 清爽可口 CaCO3 导电性 取决于电解质的多少放射性 取决于放射性物质的多少 39 地下水的化学成分 地下水中主要离子成分地下水中主要气体成分地下水中的胶体成分与有机质 40 地下水中主要离子成分 阳离子 H Na K NH4 Mg2 Ca2 Fe2 阴离子 OH Cl SO42 NO2 NO3 HCO3 CO32 SiO32 HCO3 地下水中分布最广 含量较多的离子是 Na K Ca2 Mg2 和Cl SO42 HCO3 即4种阳离子和3种阴离子 41 矿化度 地下水中所含各种离子 分子与化合物的总量称为矿化度 以g L表示 习惯上用105 110摄氏温度将地下水样品蒸干后所得的干涸残余物总量来表示矿化度 也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 由于在蒸干时有将近一半的HCO3 分解生成CO2和H2O而逸失 所以 阴阳离子相加时 HCO3 只取重量的50 由子地下水中盐类的溶解度不同 使得离子成分与地下水矿化度之间有一定的规律 总体上看 氯盐的溶解度最大 硫酸盐次之 碳酸盐较小 钙的硫酸盐 特别是钙 镁的碳酸盐溶解度最小 随着矿化度增大 钙 镁的碳酸盐首先达到饱和并沉淀析出 继续增大时 钙的硫酸盐也饱和析出 因此 高矿化水中便以易溶的氯和钠占优势了 42 Cl 主要来源 沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解 岩浆岩中含氯矿物的风化溶解 海水 火山喷发物的溶滤 工业 生活污水及粪便中的大量Cl 氯离子不会被植物和细菌所摄取 不被土粒表面吸附 氯盐浴解度大 不易沉淀析出 因此 它的含量随着矿化度增长而不断增加 43 SO42 主要来源 含石膏或其它硫酸盐的沉积岩的溶解硫和硫化物的氧化SO42 在地下水中的含量大大低于氯离子的含量 而且也不如氯离子稳定 这是由于 作为SO42 主要来源的硫酸钙溶解度较小 在还原环境中 SO42 将被还原为H2S及S 44 HCO3 主要来源 含碳酸盐沉积岩的溶解 在岩浆岩与变质岩地区 主要来源于铝硅酸盐矿物的风化溶解 45 Na 离子和K 离子在地下水中的分布特点基本相同 但是 K 离子的含量比Na 离子的含量少得多 这是因为K 大量地参与形成不溶于水的次生矿物 水云母 蒙脱石 绢云母 并为植物所摄取之故 Na 离子和K 离子主要来源于 含钠盐 钾盐的沉积岩的溶解 岩浆岩和变质岩中含钠 钾矿物的风化溶解 46 Ca2 离子的来源主要是 碳酸盐类沉积物和石膏沉积物的溶解 岩浆岩 变质岩中含钙矿物的风化溶解 地下水中Ca2 的含量一般不超过数百毫克 升 通常低于Na 离子的含量 Mg2 离子的来源及其在地下水中的分布与Ca2 离子相近 但是 Mg2 离子的含量通常比Ca2 离子少 Mg2 离子主要来自含镁的碳酸盐类沉积岩 白云岩 泥灰岩 以及岩浆岩 变质岩中含镁矿物的风化溶解 47 地下水中主要气体成分O2 N2 CO2及H2S是地下水中的主要气体成分 一般情况下 地下水中气体含量只有几毫克 升一几十毫克 升 但是 气体成分能够很好地反映地球化学环境 同时 地下水中存在某些气体能够影响盐类在水中的溶解度以及其它化学反应 48 地下水中的胶体成分与有机质以碳 氢 氧为主的有机质 经常以胶体方式存在于地下水中 大量有机质的存在 有利于进行还原作用 从而使地下水化学成分发生变化 很难以离子状态溶于水的化合物也往往以胶体状态存在于地下水中 其中分布最广的是Fe OH 3 A1 OH 3及SO2 49 地下水对建筑工程的影响 地下水位下降引起软土地基沉降动水压力产生流砂和潜蚀地下水的浮托作用承压水对基坑的作用 50 地下水位下降引起软土地基沉降 在沿海软土层中进行深基础施工时 往往需要人工降低地下水位 若降水不当 会使周围地基土层产生固结沉降 轻者造成邻近建筑物或地下管线的不均匀沉降 重者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 例如 上海康乐路十二层大楼 采用箱基 开挖深度为5 5m 采用钢板桩外加井点降水 抽水6天后 各沉降观测点的沉降量如表所示 51 如果抽水井滤网和砂滤层的设计不合理或施工质量差 那么 抽水时会将软土层中的粘粒 粉粒 甚至细砂等细小土颗粒随同地下水一起带出地面 使周围地面土层很快产生不均匀沉降 造成地面建筑物和地下管线不同程度的损坏 另一方面 井管埋设完成开始抽水时 井内水位下降 井外含水层中的地下水不断流向滤管 经过一段时间后 在井周围形成漏斗状的弯曲水面一降水漏斗 在这 降水漏斗范围内的软土层会发生渗透固结而造成地基土沉降 而且 由于土层的不均匀性和边界条件的复杂性 降水漏斗往往是不对称的 因而使周围建筑物或地下管线产生不均匀沉降 甚至开裂 52 动水压力产生流砂和侵蚀流沙 是地下水自下而上渗流时土产生流动的现象 它与地下水的动水压力有密切关系 当地下水的动水压力大于土粒的浮容重或地下水的水力坡度大于临界水力坡度时 使土颗粒之间的有效应力等于零 土颗粒悬浮于水中 随水一起流出就会产生流沙 这种情况的发生常是由于在地下水位以下开挖基坑 埋设地下管道 打井等工程活动而引起的 易产生在细沙 粉沙 粉质粘土中 潜蚀作用可分为机械潜蚀和化学潜蚀两种 机械潜蚀是指土粒在地下水的动水压力作用下受到冲刷 将细粒冲走 使土的结构破坏 形成洞穴的作用 化学潜蚀是指地下水溶解水中的盐分 使土粒间的结合力和土的结构破坏 土粒被水带走 形成洞穴的作用 这两种作用一般是同时进行的 在地基土层内如具有地下水的潜蚀作用时 将会破坏地基土的强度 形成空洞 产生地表塌陷 影响建筑工程的稳定 在我国的黄土层及岩溶地区的土层中 常有浴蚀现象产生 修建建筑物时应予以注意 53 流砂是一种不良的工程地质现象 在建筑物深基础工程和地下建筑工程的施工中所遇到的流砂现象主要有 1 轻微流砂 当基坑围护桩排间隙处隔水措施不当或施工质量欠缺时 或当地下连续墙接头的施工质量不佳时 有些细小的土颗粒会随着地下水渗漏一起穿过缝隙而流入基坑 增加坑底的泥泞程度 2 中等流砂 在基坑底部 尤其是靠近围护桩墙的地方 常常会出现一堆粉细砂缓缓冒起 仔细观察 可以看到粉细砂堆中形成许多小小的排水沟 冒出的水夹带着细小土粒在慢慢地流动 3 严重流砂 基坑开挖时如发生上述现象而仍然继续往下开挖 流砂的冒出速度会迅速增加 有时会象开水初沸时的翻泡 此时基坑底部成为流动状态 给施工带来很大因难 甚至影响邻近建筑物的安全 如果在沉井施工中 产生严重流砂 那么沉井就突然下沉 无法用人力控制 以致沉井发生倾斜 甚至发生重大事故 54 根据对上海软土地层的研究 得出易产生流砂的土层条件为 1 粘粒含量小于10 15 粉粒含量大于65 75 2 颗粒级配不均匀系数Cu