工程地质学第5章

工程地质学,主讲：李肖锋,第5章地下水,5.1地下水的概述5.2地下水的类型及其主要特征5.3地下水的性质5.4地下水对建筑工程的影响,地下水在岩土工程中常常起着很重要的作用，例如在铁路工程中，路基的沉陷常和地下水的活动有着直接的联系；公路工程中，地下水位较高时，常会因土的毛细作用而改变路基的干湿类型，引起各种路基病害；在采矿工程中，地下水引起的工程事故是最主要的工程灾害之一；在地基工程中，深基坑的开挖常常会遇到基坑降水问题，并因为基坑降水引起的地下水渗流问题而造成基坑边坡的移动和基坑周围地面的沉陷；当地下水含有较多的酸类物质时，还有可能造成地下结构物的腐蚀和破坏。我们不仅有必要研究地下水的形成、分布和埋藏条件，有必要研究地下水的运动规律，防止地下水对岩土工程的危害和影响，还有必要为人类社会的今天和未来着眼，珍惜和充分利用珍贵的每一滴地下水资源。,5.1地下水的概述,一、自然界的水,自然界的水以气态、固态和液态三种不同的形式存在于大气层、地表和地表以下的岩土孔隙、裂隙和空洞中，并分别被称为大气水、地表水和地下水。,1、大气水以云、雾、雨、雪和冰雹等形式存在于大气层中的水分称为大气水，降落到地壳表面上时，称为大气降水。,图5-1东海上空的降雨云团,2、地表水,以液态或固态的形式存在于江河、湖泊、海洋、南北两极以及高山地区的水称为地表水。,图5-2长江和黄河,图5-3塔里木河和湘江,图5-4洞庭湖和博斯腾湖,图5-5南海海面和渤海湾,图5-6雪山,3、地下水,地下水是以固态、液态或水汽形式存在于岩石以及土的裂隙、孔隙和空洞中的水。,二、岩土的空隙性,不论是坚硬的岩体还是松软的土体，其中都或多或少地存在着空隙，这些空隙是地下水赋存和运移的空间。根据岩土体中这些空隙的形状差异和成因不同，可将其划分为裂隙、溶隙（溶洞）和孔隙。,1、裂隙在构造运动以及其它各种内、外地质营力作用下，产生于岩体中的各种扁平状空隙称为裂隙。,2、溶隙可溶性岩体中的裂隙再经过地下水流的长期溶蚀、冲刷而形成的空隙或空洞称为溶隙或溶洞,3、孔隙存在于土的颗粒与颗粒之间的小孔状或细管状的空隙称为土中的孔隙,三、地下水的形成,地下水主要是由渗透作用和凝结作用形成的，此外还有极少量的原生水,当空气中含有水蒸汽时，这些水蒸汽会随空气一起进入土体和外界相通的孔隙中，并在气温下降时凝结成水滴，在重力作用下下渗、聚集形成地下水。这种现象在一些干旱型草原和沙漠地区极为普遍。山区中的一些岩体裂隙常在每天早晨至中午这一段时间有水流流出或水滴渗出，但是一过中午，这些裂隙中不再有水渗出，第二天早晨，裂隙中重又出水。这些裂隙中的水就是每天晚上温度降低后水汽凝结形成的，水汽或凝结于岩石表面流入裂隙、或直接在裂隙中凝结成水,渗透作用形成的地下水是大气降水和地表水经岩土的裂隙、孔隙渗入到地表以下并在一定深度处聚集而成的，它也是地下水的最主要来源。在以大气降水为主要补给源的区域，当地的降雨量愈多、岩土透水性愈强、地下水的含量愈丰富。在江河、湖泊等地表水系附近，当地表水的水位高于该区域的地下水水位时，地表水经岩土中的空隙下渗，并在地下一定深度聚集形成地下水。,四、地下水位、包气带和饱水带,地下水位是指岩土体中重力水的自由界面,地表以下一定深度范围内岩土体的空隙中既含有结合水和毛细水，又含有一定数量的自由气体，甚至在局部范围内还含有小规模的重力水。在地层中的第一个稳定的含水层及其以下的岩土体中，除含有极少量被压缩的封闭气泡外，岩土体的其余空隙全部被水所充填。我们将地表以下第一个稳定含水层水位以上未被水饱和的岩土体的范围称为包气带；而将该水位以下，空隙全部被水所充填的岩土体范围称为饱水带。,五、毛细水.毛细水-受毛细作用控制的地下水。对于土体来说，毛细水上升的快慢及高度决定于土颗粒的大小。土颗粒愈细，毛细水上升高度愈大，上升速度愈慢。土颗粒愈粗，毛细水上升高度愈小，上升速度愈快。,毛细水对建筑工程的意义主要有：（1）产生毛细压力，对于砂性土特别是细砂、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。,毛细压力，即：pc=（2cos）/r式中pc毛细压力（kPa）；r毛细管半径（m）；水的表面张力系数，10时，=0.073Nm；水浸润毛细管壁的接触角度，当=0时，认为毛细管壁为完全湿润的；当90时，表示水能湿润固体的表面；当90时，表示水不能湿润固体的表面。,六、含水层与隔水层的概念,1、含水层在常规水力梯度下，有一定给水度并具有透水性的饱水岩土层（体）称为含水层。含水层的形成必须具备以下条件：岩土层（体）中有较大的孔隙、裂隙或空洞；要有不透水的岩土层限制含水层中地下水的下泄；要有充分的补给源。含水层在空间分布的几何形态是多样的，但多数呈现层状形态，这也是称其为含水层的原因,2、隔水层在常规水力梯度下渗透性极差、给水度极小的岩土层称为隔水层。正是由于岩土体中有隔水层的存在，才使得地下水在其上的含水层中集聚成为可能。,七、自然界水的循环,如前所述，自然界的水可分为大气水、地表水和地下水。自然界的这三部分水的比例大略为：大气水：地下水：地表水=1：10：100000，但它们之间并非相互独立，而是有着密切的关系并不断运动和变化。在太阳的辐射下，地表水从河流、湖泊、海洋等地表水表面蒸发成水汽进入大气，被上升的气流带到空中并随大气一起流动；在适当的条件下，大气中的水汽会凝结成液态（雨）或固态（雪、冰雹），在地球的重力作用下降回到地面上；降落到地面上的大气降水中的一部分顺地面流动，汇入江河、注入湖泊和海洋成为地表水；另一部分降水则通过岩土体的裂隙、孔隙下渗，并在一定的岩土层中集聚起来成为地下水；,地下水中的一部分会在太阳的辐射作用下或从岩土体的裂隙和孔隙中直接蒸发或通过植物的叶面蒸发重新回到大气中成为大气水；另一部分在重力作用下沿岩土体的裂隙、孔隙渗流，以地下径流的形式或直接流入大海，或在适当的条件下以泉水的形式流出地表再汇入江河，注入湖泊、海洋成为地表水。大气水、地表水和地下水的这种不间断的运动和变化称为自然界水的循环。按其循环的范围不同可分为大循环和小循环，如图5-7所示。,图5-7自然界水的循环,而水的小循环是指自然界的水在陆地或海洋自身内部的运动、相互转化和循环。即水从海面蒸发进入大气，再在大气中凝结，以降水形式降落回海洋；或者：从陆地上的河、湖、地面或植物叶面蒸发进入大气，再在大气中凝结，以降水形式重新降落回陆地或以凝结水形式直接进入岩土体孔隙。,自然界水的大循环是指水在海洋和陆地之间的整个范围内进行循环。即：水从海面蒸发，被气流带到大陆上空，凝结后回降地面，汇入河流再注入大海或以地下水的形式返回海洋。,自然界的水就是在上述循环过程中不断运动转化着，永无休止,5.1.2岩土体的水理性质,岩土体的水理性质是指岩土体与水接触时，存储和运移水分的性质。土的颗粒组成不同、岩土体的空隙大小和数量不同，其容纳、保持、释出和被水透过的能力也不相同。岩土体的水理性质主要包括岩土体的容水性、持水性、给水性和渗透性。,岩土体的容水性是指岩土体容纳水分的能力。容水性用容水度来衡量。容水度是指岩土体能容纳水的最大体积（饱水状态下岩土体中的含水体积）与岩土体的体积之百分比，其值的大小一般和孔隙度（裂隙率、溶隙率）相等或接近。如果用表示容水度，则其表达式为（5-1）,1、容水性,2、持水性,持水性是指在重力作用下岩土体依靠颗粒电场力和毛细吸力在孔隙、裂隙中保持一定量水分的性能。持水性用持水度（最大分子含水量）来表示。持水度是指饱水岩土体在重力作用下释水后，仍能保持住的水体积与岩土总体积的百分比。以表示持水度，则其可表示为：,（5-2）式中岩土体在重力作用下释水后仍能保持住的水体积。,岩土体的持水性还可用持水量来表示。持水量可定义为饱水岩土体在重力作用下释水后仍能保持的水质量与岩土体颗粒质量之百分比。以表示持水量，则其可表示为：,（5-3)式中岩土体在重力作用下释水后仍能保持住的水质量。,3、给水性,被水饱和的岩土体在重力作用下释出水的能力称为岩土体的给水性。岩土体的给水性以给水度来表示。饱水岩土体在重力作用下释出水的体积与岩土体总体积的百分比称为给水度。以表示给水度，则其可表示为：（5-4）式中岩土体在重力作用下释出水的体积（所能够释出水的最大体积）显而易见，岩土体的容水度、持水度和给水度之间保持以下关系：（5-5）对于岩体来讲，由于其中的结合水含量是微不足道的，毛细作用也极其微弱，所以可以认为其容水度、给水度和裂隙率近似相等。,4.岩土的透水性-岩土允许重力水渗透的能力通常用渗透系数表示。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。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。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。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。渗透系数k可以用野外抽水试验测定。,5.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式中Q渗透流量L3T-1；H1、H2上、下游过水断面的水头L；A过水断面的面积L2包括岩土颗粒和空隙两部分的面积；K渗透系数LT-1；L渗透长度L；I水力坡度；v地下水渗透速度LT-1。,6.有关渗流的几个概念：（1）渗流：地下水在多孔介质中的运动称为渗透或渗流。地下水的渗透符合达西定律。即地下水的渗流速度与水力坡度的一次方成正比，也就是线性渗透定律。当I=1时，K=v即渗透系数是单位水力坡度时的渗流速度。达西定律只透用于雷诺数10的地下水层流运动。,（2）渗流速度v：在达尔西定律，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A1为空隙所占据的面积，即：A1=An式中n空隙度。由此可知；v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。（3）水力坡度I：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。,5.2地下水类型及其主要特征,地下水按埋藏条件可分为三大类：即包气带水、潜水、承压水。根据含水层的空隙性质，地下水可分为三个亚类：孔隙水、裂隙水、岩溶水。,一、包气带水：包气带水处于地表面以下潜水位以上的包气带岩上层中，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。包气带水的主要特征：受气候控制，季节性明显，变化大。工程意义：腐蚀、盐碱化,包气带中的重力水亦即上层滞水。上层滞水一般接近地面，分布范围小、厚度小、水量少；靠大气降水和凝结水补给；以蒸发形式或沿隔水透镜体边缘向外排泄；动态很不稳定，常表现为季节性：雨季获得补给，旱季水量减少甚至消失；易污染。,2、潜水,位于地表以下第一个稳定的隔水层之上，具有自由水面的重力水称为潜水。其自由水面称为潜水面或潜水水位面；潜水面至地表的距离称为潜水的埋深；潜水面的标高称为潜水水位。,潜水在自然界中分布极广，主要存在于具有隔水层的第四纪沉积物或基岩风化带中。潜水面的形状常和地形相适应，但较地形起伏小。,潜水常埋置于土的孔隙中和出露地表的岩石裂隙中，靠大气降水、凝结水或地表水补给，主要以大气降水补给；潜水有隔水的底板，但没有隔水的顶板，能在水平方向流动，多数情况下，潜水的补给区和分布区一致；以大气降水为补给源的潜水受气候条件的影响很大，动态不稳定，而以河流等地表水为补给源的潜水则表现出较好的动态稳定性；由于潜水没有隔水的顶板，所以同上层滞水一样，也易受到污染；潜水的排泄方式有下泄泉，蒸发、泄流地表和人工抽取地下水等，有些地区，人类抽取地下水成为潜水的最主要排泄方式。,3层间水,存在于地表以下两个稳定的隔水层之间的含水层中重力水称为层间水。若层间水完全充满于含水层且受到超静水压力作用时，则称其为承压水，俗称自流水。层间水多为承压水。,图5-8为各种类型地下水埋藏示意图。,层间水的补给区和分布区不一致；由于其顶部有隔水顶板存在，所以受大气降水的影响较小，不易受污染，通常水质良好；动态变化较缓慢且幅度小，随气候的变化不如潜水敏感，蒸发量小甚至不蒸发；如果层间水为承压水时，隔水顶板一旦被穿透，地下水位会明显上升甚至喷出地面形成自流井。据历史记载，我国在汉朝初期（公元前）就在四川自贡凿自流井取水煮盐。承压水的形成与一个地区的地质构造密切相关。最适宜于形成承压水的地质构造有向斜构造和单斜构造两种。承压水的排泄方式有泉、下泄泉和人工抽取地下水等。在我国一些人口密集的大型城市中，人工大量抽取地下水不仅使地下水资源已近枯竭，还造成了城区地面的大面积下沉。,图5-8自流盆地示意图,二、地下水按含水层性质分类,含水层按其空隙性质的不同可分为孔隙含水层、裂隙含水层和岩溶含水层。储存在这些含水层中的地下水分别称为孔隙水、裂隙水和岩溶水。,1、孔隙水,孔隙水广泛分布于第四纪松散的沉积物中，在较老的岩石中也有较少分布，例如在砂岩中就有少量的孔隙水存在。孔隙水的存在条件和特征取决于岩土的孔隙状况，这是因为岩土孔隙的大小和多少不仅关系到岩土透水性的好坏，也直接影响着其中的地下水的含量多少、运动条件和水质好坏。如果岩土体颗粒粗大而均匀，则孔隙含水层的透水性好，地下水储量大、流速快、水质好；反之则透水性差、地下水储量小、流速慢、水质差。由于埋藏条件的不同，孔隙水可形成上层滞水、潜水和层间水,2、裂隙水,存在于基岩裂隙之中并沿着基岩裂隙渗流的地下水称为裂隙水。如前所述，岩体中的裂隙可分为风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙三种，裂隙类型不同，其分布规律、发育程度也不相同，并使含于其中的裂隙水的分布和埋藏特征呈现出差异性。据此可将裂隙水划分为风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水.特征：（1）水运动复杂（2）水量变化较大（3）与裂隙发育程度、性质及成因有密切关系。,3.风化裂隙水多为层状裂隙水在一定范围内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。,4.成岩裂隙水岩浆岩中成岩裂隙水较为发育成岩裂隙水多为潜水含水层，呈层状，在一定范围内相互连通。在具有成岩裂隙的岩体为后期地层覆盖时可构成承压含水层。,5.构造裂隙水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。分为层状构造裂隙水和脉状构造裂隙水。可以是潜水，也可以是承压水裂隙各有自己独立的系统、补给源及排泄条件，水位不一致。渗透性常常显示各向异性。,6岩溶水,地下水在可溶性碳酸岩类的岩体中渗流的结果使岩石中一部分物质成分溶于水中，并和水流一起流走，并在岩体中形成各种形状复杂的水溶性裂缝、沟渠和洞穴等岩溶裂隙或溶洞（即喀斯特溶洞），赋存并运移于这些岩溶裂隙或岩溶溶洞中的地下水就称为岩溶水。我国华北石炭、二迭系煤系地层的基底是奥陶纪石灰岩，其中古代岩溶溶洞发育，含有丰富的岩溶水资源，但其却对煤炭生产造成了极大困难。岩溶水可以是潜水，也有层间水和层间承压水。,岩溶：岩溶就是指水流与可溶岩石相互作用的过程以及伴随产生的地表及地下地质现象的总和。岩溶作用：化学溶解和沉淀作用机械破坏作用和机械沉积作用,7、泉1.泉的定义：泉是地下水天然露头。是地下水的主要排泄方式之一。2.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。按出露条件可分为侵蚀泉、接触泉、溢出泉等。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。接触泉：因地形切割含水层隔水底板时，地下水被迫从两层接触处出露成泉，故称接触泉。溢出泉：当岩石透水性变弱或由于隔水底板隆起，使地下水流动受阻，地下水便溢出地面成泉，这就是溢出泉。,自流水泉（上升泉）：主要靠承压水补给，动态稳定，年变化不大，主要分布在自流盆地及自流斜地的排泄区和构造断裂带上。,5.3地下水的性质,地下水储存和运移在岩土体中，并不断与其周围的岩土体发生作用，溶解其中的一些可溶性物质；地下水还参与自然界的水循环，并在循环过程中与各种各样的介质接触，增加地下水的物质成分；地下水的蓄存会受到一系列自然条件和地质条件的影响，其化学成分随地区自然地理环境的变化、地质条件的变化而发生变化，即使在同一地区，地下水的化学成分还会因自然条件随时间的变化而发生改变。,地下水的物理性质与其化学成分之间有着一定的内在联系，并能在一定程度上粗略反映其物质组成情况和其蓄存的环境条件。,一、地下水的物理性质,地下水的物理性质主要包含地下水的密度、温度、颜色、透明度、放射性、气味和口味等。,1、密度,地下水的密度取决于地下水中的其它物质成分含量，当地下水比较纯净时，其密度接近1，而当地下水溶有较多的其它化学物质时，其密度则可达1.21.3,2、温度,在同一地区，地下水的温度与其埋深有关。当没有构造影响时，可按温度变化将地下水划分为三个区域：周期性水温度变化区域，年常恒温带和温度递增区域。其中周期性水温度变化区域又可分为昼夜温度变化区域和具有年温度变化规律的区域。昼夜温度变化区域一般在地表以下35m深度范围以内；年温度变化区域距地表约1530m以内，其温度变化很小，一般不超过1；其下为年常温带，从理论上讲，年常温带应是一个界面；在年常温带以下的温度递增区域，地下水的温度随深度增加而逐渐升高，其温度变化规律取决于地温梯度（温度每增加1所需的深度），地温梯度随地域而变化，一般为33m/（即在年常温带以下，地温每百米约升高3）,在不同地区，距地表较浅的地下水的温度差异巨大，例如在高寒地区，地表附近的地下水常年温度都在0以下。此外受构造影响时，地下水的温度变化会发生异常。例如在陕西临潼，很早就有利用地热水洗澡的记载；在西藏的羊八井地区，地下48m深处水温高达150左右，地温梯度约0.30.32m/。,3、颜色,地下水的颜色主要取决于地下水中的化学成分。多数情况下，地下水是无色的，但当其中含有某些化学物质时，就会显现一定的颜色。例如含有Ca2+、Mg2+的地下水呈微蓝色，含的Fe2+地下水呈灰蓝色；含的Fe3+地下水呈褐黄色。受污染的地下水因污染物质的不同而颜色各异。,4、透明度,常见的地下水是无色透明的，当含有一定量的固体物质或悬浮杂质时，透明度变差。其透明度（或称浑浊度）取决于悬浮颗粒及杂质的种类与含量。,按透明度可将地下水划分为：透明的，微浊的、浑浊的和极浊的。,5、气味和口味,地下水的气味取决于地下水中所含的挥发性物质（气体）与有机质，口味取决于水中所含的化学物质。例如当地下水中含有时具有臭鸡蛋味、含有有机质时有霉味，含有时有咸味等等。,6、放射性,因为岩土体中都含有一定量的放射性物质，所以在其中渗流的地下水也含有或大或小的放射性。当然，一般情况下地下水的放射性极其微弱，不足以对人体构成危害。但个别区域的地下水会因放射性元素含量高、放射性强而对人体健康构成危害。,二、地下水的化学成分,自然界中组成岩石的矿物有数千种，其中包含了各种各样的化学元素，地下水在岩土体中储存、运移并与岩土体不断作用，因而其所含的化学成分繁多，人类活动造成的污染使其所含物质更加复杂。亦即地下水不是纯净的水，而是一种溶有许多化学元素的溶液。,现已在地下水中发现化学元素60种以上，各种元素在地下水中的含量主要取决于它们在地壳中的含量多少以及它们的溶解度。地壳中含量最广的氧、钙、钠、钾、镁等元素在地下水中也最为常见。但地壳中含量最多的硅、铁、铝等元素由于其溶解度小，在地下水中很少见到，而氯在地壳中含量较少，但由于其溶解度高而大量存在于地下水中。地下水的化学成分常以离子状态、气体状态和化合物状态存在于地下水中，此外在地下水中还有一些有机质、微生物及细菌等悬浮物存在。,1离子状态的元素,地下水中离子状态的元素主要有：、和、等等，其中最为常见的有七种：、。氯盐在地下水中的溶解度最大、其次为硫酸盐，碳酸盐的溶解度在这三者之中为最小。地下水中的离子成分含量多少直接和地下水的总矿化度有关。,2气体状态物质,地下水中气体状态的物质主要有：、以及一些放射性气体等。其中、主要来源于大气；除来源于大气和地表水以外，地下水中的有机质氧化以及岩石中一些无机矿物的化学反应都有可能生成；在有有机质存在的地下封闭缺氧环境中，厌氧细菌活动的结果是生成大量气体，而在氧化环境中，好氧细菌又会将分解。是煤系或油系地层中的地下水富含的气体。,3化合物,地下水中所含的化合物主要有：、等。多为难溶于水的矿物质胶体。,此外地下水中还常含有一些有机质胶体。,三、地下水按总矿化度的分类,单位体积的地下水中所含有的金属离子、化合物以及其它微粒的总量称为地下水的总矿化度，其单位为。,地下水总矿化度的测试方法是：取一定量的代表性水样倒入坩埚或蒸发皿中，加热至105110，待水分蒸发干后，将剩余的固体残渣称重，除以水样的体积，即得其总矿化度。,按总矿化度可将地下水分为五类，分类结果见表6-1,四、地下水按氢离子浓度的分类,地下水的酸、碱性取决于其中的氢离子浓度，在22时由纯水的导电试验测得氢离子和氢氧根离子浓度各等于10-7克离子/升，此时水呈中性；当氢离子浓度大于氢氧根离子浓度时，水呈酸性反应，反之则呈碱性反应。因此除按总矿化度对地下水进行分类以外，另一种常见的地下水分类方法是按地下水中的氢离子浓度对其分类，具体分类使用的是氢离子浓度的负对数值，亦称为pH值，pH=-lg（），如，pH=7。按pH值划分的地下水类别见表6-2。,五、地下水的硬度,在人民生活和工业用水过程中，供热锅炉使用久了就会在锅炉中产生水垢，水垢的产生不仅会极大地降低锅炉的导热性，甚至还可能引起锅炉的爆炸。实践表明，锅炉中水垢的沉淀速度和水中的钙、镁离子含量有关，为此人们用硬度来表示水中的钙、镁离子含量多少，用符号表示，硬度高的定义为硬水，硬度低的定义为软水。我国目前采用的硬度定量标准与德国的标准相同，=1表示1升水（1000cm3）中含有10mg的；或者含有7.2mg的。地下水按硬度的划分结果见表6-3。,地下水按硬度的划分结果表6-3,六、影响地下水化学成分的主要作用,地下水中各种化学成分的形成主要和两个方面的因素有关，这其中首先与地下水的补给类型有关，地下水的补给类型不同，补给源中所含的物质成分不同，形成的地下水所包含的化学元素自然不同；影响地下水化学成分另一重要因素是地下水的存储和运移环境，地下水在存储和径流过程中不断与周围的岩土体物质发生着一系列作用来改变其化学成分，这些作用包括：溶解溶滤作用、浓缩作用、离子交换和吸附作用、脱碳酸作用和脱硫酸作用等。,1、溶解溶滤作用,地下水在岩土体中存储、渗流时，岩土体中的一些可溶性物质溶入水中，难溶物质保留下来，地下水对周围岩土体的这种作用过程称为溶解溶滤作用。地下水中的、等元素都来自于地下水对岩土体的溶解溶滤作用。,2离子的交换和吸附作用,岩石和土颗粒的表面有较大的吸附能力（电场作用力），因此当地下水与岩土体的颗粒接触时，其中的一些化学物质会吸附在颗粒表面上与颗粒表面上原来已吸附的某些离子进行交换，并因此而改变地下水的化学成分,3脱碳酸作用,碳酸盐在地下水中的溶解量取决于水中的含量。当地下水在渗流过程中由于环境改变而使其温度增高或压力降低时，便会从地下水中逸出，地下水中的和钙、镁离子结合后沉淀析出：,上述作用称为脱碳酸作用，石灰岩溶洞中的石笋、钟乳石等就是这种作用的结果。,4生物化学作用,地下水的生物化学作用是指有细菌参与的一些氧化、还原作用。例如在氧化环境中，好氧的硫磺细菌能使水中的氧化分解，其反应式如下：,相反，在缺氧环境中，厌氧的脱硫细菌能使硫酸盐还原成,在煤炭矿山的采空区中就容易形成富含的积水潭。有的将前一种反应称为硫酸化作用，而将后一种称为脱硫酸作用,5.混合作用,化学成分不同的地下水相遇混合后，经过一系列的化学反应，生成化学成分与原来都不相同的地下水的作用称为混合作用。例如以、为主要化学成分的地下水和以、为主要化学成分的地下水相混合时就会发生下述反应：,析出石膏，形成以和为主要成分的地下水。,6.人为作用,人类生产、生活活动中产生的大量垃圾被废弃在地下水的生成和存储环境中使地下水污染日趋严重。这些污染源包括生活污染源、工业污染源和农业污染源以及沿海地区由于人类大量开采地下水造成的海水倒灌污染等；污染地下水的物质可分为无机污染物、有机污染物和病原体污染物等。1988年我国仅废水排放量就达362亿吨，其中大部分未经处理就被直接排入河流水域。我国经对532条河流进行监测发现，其中不同程度受污染的河流共有436条，占被监测河流的81.95%。这些被污染的地表水系必然会进一步造成地下水的污染。,5.4地下水对建筑工程的影响,地下水对建筑工程的不良影响主要有：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