矿山地质第三章-地下水

工程地质学,主讲人：韩立华中南大学资源与安全工程学院,22:09,114-2,第三章地下水,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。,22:09,114-3,第一节地下水概述,一、岩石的空隙特征和地下水储存（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,22:09,114-4,22:09,114-5,1.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：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,22:09,114-6,2.裂隙坚硬的岩石在内外地质应力的作用下因岩石破裂而产生的空隙。它反映了岩石储存地下水的能力裂隙一般呈现裂缝状，具有明显的不均匀性和方向性（见图2-1）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,22:09,114-7,3.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,22:09,114-8,（二）地下水的存在形式两种形式：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)CaSO42H2O，其中H2O占20.93%；方沸石Na2AlSi2O622H2O，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。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和薄膜水,22:09,114-9,吸着水（强结合水）：吸附在岩石颗粒的表面较近处特点：a、水在岩石颗粒表面结合非常紧密，吸附力达10000个大气压，近似于固态，不同于一般的液态水。b、很难用机械的方法把它与颗粒分开，只有当空气中的饱和差很大或105才能将他们分开c、不受重力支配，不能溶解盐类，不能导电、不能传递静水压力d、密度大，2.0g/3e、水量小，不能被植物吸收f、具有极大的粘滞性和弹性,22:09,114-10,薄膜水（弱结合水）：吸附在岩石颗粒的表面较远处特点：a、水分子离岩石颗粒表面越远，结合力越小。b、当空气相对湿度达到饱和时，能将他们分开c、不受重力支配，不能导电、不能传递静水压力d、密度和普通水差不多，但具有极大的粘滞性e、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。,22:09,114-11,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,22:09,114-12,二、岩石的水理性质（一）概念岩石的水理性质：由于岩石空隙的大小数量的不同，而使得岩石表现出容纳、保持、给出和渗透地下水的性质（二）分类1.容水性指岩石容纳水的能力衡量指标：容水度与孔隙度（裂隙率、岩溶率）的关系：大于、等于、小于2.持水性指岩石保持水的能力（依靠分子引力和毛细力）衡量指标：持水度岩石颗粒越小，持水度越大。,22:09,114-13,3.给水性（重要的水文地质参数）指岩石排出（给出）水的能力（在重力作用下自由）衡量指标：容水度最大给水度等于岩石的容水度减去持水度给水度与颗粒大小的关系：颗粒越粗，给水度越大；反之，越小,22:09,114-14,4.透水性指岩石透过水的能力（由于有相互连通的空隙）透水性取决于：岩石空隙的大小；孔隙的多少及形状；颗粒的分选程度。颗粒越大，分选性越好，透水性越强；反之，越差。衡量指标：渗透系数K（重要的水文地质参数）透水岩石-砂、砾石、卵石、裂隙和溶隙发育的坚硬岩石半透水岩石-粉质粘土、粉土、黄土、裂隙和溶隙不太发育的坚硬岩石不透水岩石-粘土、淤泥、裂隙和溶隙不发育的坚硬岩石透水性的相对性,22:09,114-15,三含水层和隔水层一、概述分类：含水层和隔水层含水层：能透过并给出相当数量的岩层。隔水层：不能透出并给出水，或透出给出水量较小的岩层。相对性：粗砂层中的泥质砂层与粘土层中泥质砂层二、构成含水层的基本条件a、岩层具有容纳重力水的空隙（先决条件）注意：空隙,重力水b、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,22:09,114-16,c、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,22:09,114-17,(四)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。,22:09,114-18,第二节、地下水的基本类型,（一）地下水按埋藏条件分类（二）地下水按含水层性质分类,22:09,114-19,（一）地下水按埋藏条件分类及其特征,潜水,包气带水,承压水,22:09,114-20,是指存在于地面以下包气带中的水。,包气带水,22:09,114-21,(1)水量不大，但季节性变化强烈。(2)补给区和分布区是一致的。(3)一般矿化度低，但水质最易受污染。(4)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。,包气带水的主要特征：,22:09,114-22,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。,22:09,114-23,潜水面的特征,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。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。,22:09,114-24,潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。,22:09,114-25,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。,地表地形的影响,22:09,114-26,当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓；,含水层厚度的影响,22:09,114-27,当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。,岩层透水性的影响,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。,22:09,114-29,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；,22:09,114-31,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。,22:09,114-32,潜水的补给,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,在深层承压含水层中，由于天然含水层的水头差，和由于人工开采地下水形成水位降低造成的与相邻上、下含水层的水头差，使相邻含水层中的水通过非含水层向取水含水层补给。,22:09,114-33,潜水的补给大气降水,22:09,114-34,河流补给潜水,潜水的补给地表水的补给,22:09,114-35,潜水的排泄,蒸发;泉的排泄；向地表水排泄；人为排泄。,22:09,114-36,潜水的排泄泉,22:09,114-37,潜水补给河流,潜水的排泄向地表水排泄,22:09,114-38,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。,22:09,114-39,承压水的形成,最适宜形成承压水的地质构造有：,向斜构造单斜构造,承压盆地承压斜地,22:09,114-40,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。,承压盆地,22:09,114-41,22:09,114-42,承压斜地,岩性变化形成承压斜地,断裂构造形成承压斜地,22:09,114-43,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。,22:09,114-44,承压水的补给,大气降水；地表水；潜水。,22:09,114-45,承压水的补给大气降水,22:09,114-46,当补给区位于河床地带时，地表水才可以成为补给来源。,承压水的补给地表水,22:09,114-47,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,22:09,114-48,承压水的排泄,向潜水排泄;泉的排泄；向地表水排泄。,22:09,114-49,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,22:09,114-50,当侵蚀面下切达到承压含水层时，就以泉水形式排泄。,承压水的排泄泉,22:09,114-51,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,22:09,114-52,河谷下切至含水层，则承压水向地表水排泄。,承压水的排泄地表水,22:09,114-53,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。,22:09,114-54,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。,承压水的涌水量,22:09,114-55,（二）地下水按含水层性质分类,孔隙水裂隙水岩溶水,风化裂隙水成岩裂隙水构造裂隙水,22:09,114-56,孔隙水存在于松散岩层的孔隙中，这些松散岩层包括第四系和坚硬基岩的风化壳。它多呈均匀而连续的层状分布。孔隙水的存在条件和特征取决于岩石的孔隙情况，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。,（1）孔隙水,22:09,114-57,埋藏在坚硬岩石裂隙中的地下水称为裂隙水。它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。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三种，即风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水。,（2）裂隙水,22:09,114-58,风化裂隙水示意图1-新鲜基岩；2-风化带；3-粘土；4-暂时性泉；5-常年性泉；6-水井,22:09,114-59,埋藏于溶隙中的重力水称为岩溶水（喀斯特水）。岩溶水，可以是潜水，也可以是承压水。一般说来，在裸露的石灰岩分布区的岩溶水主要是潜水；当岩溶化岩层被其它岩层所覆盖时，岩溶潜水可能转变为岩溶承压水。岩溶的发育特点也决定了岩溶水的特征。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，其动态变化受气候影响显著，由于溶隙较孔隙、裂隙大得多，能迅速接受大气降水补给，水位年变幅有时可达数十米。大量岩溶水以地下径流的形式流向低处，集中排泄，即在谷地或是非岩溶化岩层接触处以成群的泉水出露地表，水量可达每秒数百升，甚至每秒数立方米。,（3）岩溶水,22:09,114-60,岩溶水示意图1-灰岩；2-溶洞；3-充水部分；4-地下水流向；5-地下水位,22:09,114-61,(4)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。,22:09,114-62,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。,22:09,114-63,22:09,114-64,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。,22:09,114-65,第三节地下水的性质,一、地下水的物理性质地下水的物理性质有温度、颜色、透明度、气味、味道、导电性及放射性。地下水物理性质的研究，使我们能初步了解地下水的形成环境、污染情况及化学成分，这为利用地下水提供了依据。,22:09,114-66,二、地下水的化学成分1.成分来源：岩土中的地下水，是一种良好的溶剂，能溶解岩土中的可溶物质，形成水的化学成分。地下水的补给、径流、排泄过程中，由于地质、自然地理环境的影响，地下水会发生浓缩、混合、离子交换吸附、脱硫酸和碳酸作用，促使地下水的化学成分不断变化。,22:09,114-67,2.地下水中的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-、PO42-。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。,22:09,114-68,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105110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。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。,22:09,114-69,3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。作用:气体成分能够很好地反映地球化学环境；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。如:地下水中CO2的含量越多，其溶解碳酸盐类的能力以及对结晶岩类风化作用的能力也越强。地下水中存在侵蚀性CO2时，就会对钢筋混凝土产生腐蚀作用。,22:09,114-70,4.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。作用: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。地下水中，其中分布最广的是Fe(OH)2、A1(OH)3及SO2。,22:09,114-71,第四节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；